ES2402895T3

ES2402895T3 - Fotobiorreactor de manguera

Info

Publication number: ES2402895T3
Application number: ES10771704T
Authority: ES
Inventors: Christoph MÜLLER-REES; Rupert Pfaller; Christian Walter; Fritz Cotta
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2013-05-10
Anticipated expiration: 2030-10-19
Also published as: IL218882A0; IL218882A; WO2011048108A3; EP2491107A2; CN106367322A; AU2010309829B2; DE102009045851A1; EP2491107B1; PL2491107T3; AU2010309829A1; US8586344B2; US20120202290A1; CN106367322B; WO2011048108A2; CN102575211A

Abstract

Fotobiorreactor de mangueras con una estructura de núcleo en forma de tronco de cono y una o variasmangueras transparentes o translúcidas, que están enrolladas helicoidalmente en torno al lado exterior y/o al ladointerior de la estructura de núcleo, caracterizado porque la(s) manguera(s) transparente(s) o translúcida(s) tiene(n)por lo menos dos cámaras, de las cuales por lo menos una es recorrida por el medio de cultivo y por lo menos otraes recorrida por un medio de intercambio de calor, y los arrollamientos de la(s) manguera(s) se colocan a distanciaentre ellos y el transporte del medio de cultivo se efectúa de un modo pulsante.

Description

Fotobiorreactor de manguera

El invento se refiere a un fotobiorreactor de mangueras así como a la cultivación de macro-o microorganismos fotótrofos mediando utilización de uno de tales fotobiorreactores.

Los fotobiorreactores se emplean para la producción a gran escala técnica de organismos fotótrofos, p.ej. cianobacterias o microalgas, por ejemplo Spirulina, Chlorella, Clamydomonas o Haematococcus. Tales microalgas están en situación de transformar energía luminosa, CO2 y agua en una biomasa. Los fotobiorreactores de la primera generación aprovechan la luz del sol como fuente de luz. Los reactores se componen de unas grandes instalaciones de cubas abiertas en numerosas configuraciones, por ejemplo instalaciones de cubas circulares con unos diámetros hasta de 45 m y unos brazos mezcladores circulantes. Estos reactores se fabrican en general a base de hormigón o materiales sintéticos. Se emplean asimismo biorreactores cerrados en numerosas formas. En el caso de los biorreactores cerrados se puede tratar de biorreactores de placas, biorreactores tubulares, biorreactores de columna (de burbujas) o biorreactores de manguera. Este tipo de reactor se fabrica a base de materiales transparentes o translúcidos, tales como un vidrio o material sintético.

Los fotobiorreactores cerrados ofrecen la ventaja de que la producción de la biomasa puede efectuarse en condiciones controladas y se puede reprimir la contaminación del cultivo. Para el mejoramiento de la incorporación de luz en los cultivos, mediante elevación de la relación entre el área de superficie y el volumen, se recomiendan unos fotobiorreactores de tubos o mangueras, habiendo sido los tubos o respectivamente las mangueras enrollados/as helicoidalmente en torno a un armazón de forma cilíndrica con el fin de disminuir la ocupación de espacio.

En el documento de solicitud de patente internacional WO 2007/129327 A1 se describe un fotobiorreactor, que contiene por lo menos dos tubos transparentes en forma de espiral, que están enrollados en cada caso en torno a un armazón de soporte cilíndrico, siendo unidos entre sí los elementos tubulares individuales a través de sus extremos libres. Los tubos se fabrican preferiblemente a base de siliconas. La iluminación del reactor se efectúa mediante unos elementos de iluminación en forma de tubos, que están dispuestos dentro de los espacios vacíos de forma anular entre los elementos tubulares en forma de espiral individuales. El atemperamiento del sistema de tubos se efectúa por medio de un intercambiador de calor dispuesto por el exterior de la disposición helicoidal. Resulta problemática en este caso la regulación heterogénea de las temperaturas a causa del intercambiador de calor dispuesto en el exterior y de la intensidad de radiación diversa en las partes superior e inferior del reactor en caso de una geometría cilíndrica-helicoidal. En el documento de patente europea EP 239272 B1 se describe un fotobiorreactor con una estructura de núcleo dispuesta en posición erguida, que puede presentarse con forma cilíndrica o en forma de un cono. En torno al lado exterior de la estructura de núcleo está enrollado helicoidalmente un tubo transparente. Como material del tubo se recomienda un polietileno. Para el atemperamiento se recomienda un intercambiador de calor dispuesto en el exterior de la construcción helicoidal. La iluminación se efectúa por el lado exterior mediante irradiación solar. Para el aumento de la intensidad de la luz se recomienda proveer a la estructura de núcleo de un revestimiento reflectante o respectivamente incorporar unas fuentes de luz artificiales en la estructura de núcleo. Resulta desventajosa en el caso de esta forma de realización la intensidad de radiación diversa en el caso de una estructura de núcleo cilíndrica y el insuficiente atemperamiento con un intercambiador de calor externo.

El documento de solicitud de patente británica GB 2205581 A describe un fotobiorreactor con una estructura de núcleo cilíndrico o una estructura de núcleo en forma de un tronco de cono. En torno a esta estructura de núcleo está(n) enrollada(s) helicoidalmente por el exterior una o dos mangueras de materiales sintéticos transparentes. Alternativamente a esto también puede estar dispuesta helicoidalmente una manguera junto al lado interno o respectivamente junto al lado externo de la estructura de núcleo. Como material de las mangueras se recomienda un material sintético o vidrio transparente. La iluminación se efectúa con luz solar o respectivamente con unas fuentes artificiales de luz, que están colocadas entre el lado interno y el lado externo de la estructura de núcleo. No se describe ninguna disposición para el atemperamiento del medio de cultivo. En el documento WO 2008/097845 A1 se describe un fotobiorreactor con una estructura de núcleo cilíndrica, estando dispuestas en torno a la estructura de núcleo unas mangueras enrolladas helicoidalmente a base de un material sintético transparente. El atemperamiento se efectúa a través de un intercambiador de calor colocado junto al lado interno de la estructura de núcleo.

El documento de modelo de utilidad alemán DE 29707043 U1 describe un fotobiorreactor con una conducción de forma tubular, transparente y periférica junto a un bastidor de soporte, que está llenada con un medio de cultivo. Con el fin de aumentar el abastecimiento de luz, están dispuestas dentro del bastidor de soporte una fuente de luz y junto al extremo superior del bastidor de soporte una lente colectora. Para la refrigeración del medio de cultivo circulante se recomienda colocar en el pedestal del bastidor de soporte unas rendijas de aire con el fin de acondicionar el aire del recinto interno. En el documento de patente de los EE.UU. US 5958761 se describe un biorreactor cilíndrico para la cultivación de algas, que es fabricado a base de vidrio y que comprende un cilindro externo con diámetro más grande y un cilindro de vidrio interno con diámetro más pequeño. El cilindro interno es llenado con el cultivo de algas

y está provisto de un dispositivo mezclador. Con el fin de mejorar la irradiación de luz, el cilindro externo es llenado con un líquido, cuyo índice de refracción está adaptado a la relación geométrica entre los cilindros interno y externo. Este líquido puede servir también como medio de refrigeración. Con el fin de mejorar aún más la irradiación de luz, se recomienda introducir el cilindro de vidrio en un canal parabólico azogado (con superficie especular). Son desventajosas las desfavorables condiciones de circulación en el cilindro interno, que necesitan la incorporación de una unidad de agitación constructivamente costosa.

Ante estos antecedentes, subsistía la misión de poner a disposición un fotobiorreactor que, en comparación con antes mencionado estado de la técnica, se distinga por el hecho de que la irradiación de la luz y el atemperamiento se efectúan del modo más uniforme que resulta posible a lo largo de todo el volumen del reactor.

El documento WO 99/28018 divulga un fotobiorreactor de mangueras con un bastidor de soporte (46) en forma de tronco de cono, sobre cuyo lado externo está enrollado helicoidalmente un tubo transparente. Una lente estructurada en forma de caperuza reprime unas fluctuaciones de temperatura demasiado grandes en el fotobiorreactor.

El documento US 5958761 divulga un fotobiorreactor que se compone de un recipiente cilíndrico con un cuerpo cilíndrico que discurre coaxialmente, situado en el interior. El cilindro situado en el interior es llenado con un medio de cultivo, y el cilindro situado en el exterior es recorrido por un medio intercambiador de calor, con el fin de controlar y regular la temperatura del medio de cultivo.

Es objeto del invento un fotobiorreactor de mangueras con una estructura de núcleo en forma de tronco de cono y una o varias manguera(s) transparente(s) o translúcida(s) que está(n) enrollada(s) helicoidalmente en torno al lado externo y/o al lado interno de la estructura de núcleo, que está caracterizado porque la(s) manguera(s) transparente(s) o translúcida(s) tiene(n) por lo menos dos cámaras, de las cuales por lo menos una es recorrida por el medio de cultivo y por lo menos otra es recorrida por un medio de intercambio de calor, y los arrollamientos de mangueras se colocan a distancia entre ellos y el transporte del medio de cultivo se efectúa de un modo pulsante.

El fotobiorreactor de mangueras es apropiado para la cultivación de macro- o microorganismos fotótrofos en un medio acuoso. Como organismos fotótrofos se designan en este contexto los que necesitan para su crecimiento luz y dióxido de carbono, o eventualmente todavía otra fuente de carbono. Ejemplos de macroorganismos fotótrofos son macroalgas, plantas, musgos y cultivos de células vegetales. Ejemplos de microorganismos fotótrofos son unas bacterias fotótrofas tales como bacterias púrpuras y microalgas fotótrofas inclusive las cianobacterias. De manera preferida, el fotobiorreactor de mangueras sirve para la cultivación de microorganismos fotótrofos, de manera especialmente preferida para la cultivación de microalgas fotótrofas. Unos apropiados medios de cultivo contienen, junto al agua y los macro- o microorganismos, preferiblemente todavía unas sales nutrientes y/o unas sustancias que fomentan el crecimiento y la formación de los productos, eventualmente unas fuentes de carbono o inorgánicas tales como por ejemplo bicarbonatos o el hidrógenocarbonato de sodio. El medio de cultivo puede eventualmente estar tamponado (amortiguado) adicionalmente en lo que se refiere al valor del pH.

Como medio de intercambio de calor se emplea preferiblemente agua.

En la Figura 1 se muestra la estructura de principio del fotobiorreactor de mangueras. La estructura de núcleo tiene la forma de un tronco de cono con un diámetro Dmax en el fondo, un diámetro Dmin junto al extremo superior a la altura H así como un ángulo de inclinación α. Por el concepto de estructura de núcleo en forma de tronco de cono deben de entenderse unas estructuras tridimensionales con una superficie de base redonda o poligonal y unos lados inclinados hacia adentro en el ángulo de inclinación α. En el caso de una superficie de base redonda, ésta puede ser circular u ovalada. Las superficies de base poligonales comprenden unos polígonos arbitrarios, tales como un cuadrilátero o un octágono. La estructura de núcleo puede también desviarse también de un tronco de cono ideal por el hecho de que los lados están inclinados hacia dentro crecientemente hacia arriba y resulta una estructura de núcleo “a modo de iglú” o un “tronco de cono acodado”. Todas estas mencionadas formas de realización deben ser abarcadas conjuntamente por la denominación “estructura de núcleo en forma de tronco de cono”.

La estructura de núcleo puede tener una superficie continua y estar constituida por ejemplo a base de planchas. Ejemplos de esto serían unas planchas de metal (ligero) tales como una plancha de acero o aluminio, o también unas planchas de materiales sintéticos, de manera preferida unas planchas de materiales sintéticos transparentes, por ejemplo, unas planchas de poli(cloruro de vinilo) o policarbonato, o unas planchas de madera.

La estructura del núcleo puede tener también una superficie interrumpida. Para la construcción de sostén se pueden emplear unos materiales arbitrarios tales como madera, materiales sintéticos o metales. Por ejemplo ella puede estar constituida a base de una rejilla metálica o de material sintético. De modo preferido, la estructura de núcleo es construida a base de unos apoyos metálicos, eventualmente con unas correspondientes riostras a base de un metal. Como el metal se prefieren acero o metales ligeros tales como aluminio.

Para el dimensionamiento de la estructura de núcleo en forma de tronco de cono han de tomarse en consideración varios factores. El ángulo de inclinación α ha de estructurarse en atención a obtener la cosecha óptima de luz. El ángulo se puede escoger fijamente y puede ser optimizado en lo que se refiere al sitio de colocación y al rendimiento de luz anual global. La estructura de núcleo en forma de tronco de cono puede ser construida también de tal manera que se pueda hacer variar el ángulo de inclinación α, por ejemplo mediante unas barras telescópicas como apoyos metálicos. En el caso de un tronco de cono acodado, el ángulo de inclinación α se puede escoger más pequeño en la zona superior del tronco de cono que junto a la base. Cuanto mayor sea el ángulo de inclinación α, tanto menor es la necesidad de superficie de base para el fotobiorreactor de mangueras. Con un ángulo de inclinación α creciente aumenta no obstante también el sombreado. En las latitudes centroeuropeas, el ángulo de inclinación integral anual óptimo para el aprovechamiento de la energía solar, de acuerdo con los datos para paneles solares, está situado entre aproximadamente 30º hasta 50º. El ángulo α es por lo tanto en general de 20º hasta < 90º, de manera preferida de 20º a 70º, de manera especialmente preferida de 30º a 50º.

Los Dmax y Dmin se pueden escoger en principio arbitrariamente. Para el uso industrial, el diámetro Dmax es en general de 0,9 m a 5 m, de manera preferida de 2 m a 3,5 m. La relación de Dmax/Dmin es, en el caso de un uso industrial, por lo general de 2 a 5, de manera preferida de 2,5 a 4. La altura de la estructura de núcleo en forma de tronco de cono es por lo general de0,5 m a 5 m, de0,5 m a 3 m.

La manguera transparente o traslúcida es enrollada helicoidalmente. De manera preferida la manguera está enrollada solamente por el lado externo de la estructura de núcleo en forma de tronco de cono. La manguera es enrollada de manera preferida con un ángulo creciente en torno a la estructura de núcleo, siendo el ángulo de inclinación (pendiente) dependiente del dimensionamiento de la estructura de núcleo. El arrollamiento de manguera puede componerse solamente de una única manguera continua. Se pueden encajar conjuntamente también varios módulos de manguera para dar una manguera continua. El arrollamiento de manguera se puede componer también de varias mangueras, no unidas entre ellas. Un arrollamiento de manguera, que se compone de varias mangueras, alberga la ventaja de que se facilita la evacuación del oxígeno formado durante la cultivación.

La distancia S, es decir la distancia entre los centros de la sección transversal de dos segmentos de manguera situados uno sobre otro, como medida de la distancia entre los arrollamientos, es ≥ 2r, siendo r el radio de la sección transversal de la manguera. Para el mejoramiento de la irradiación de luz en las mangueras, los arrollamientos pueden ser colocados también a distancia entre ellos. De manera preferida, la distancia S cumple por lo tanto la relación 2r≤ S ≤ 4 r.

La manguera transparente comprende dos o más cámaras, de las cuales por lo menos una es recorrida por el medio de cultivo y por lo menos otra es recorrida por un medio de intercambio de calor. La manguera puede tener una sección transversal poligonal o redonda. De manera preferida la manguera tiene una sección transversal circular u ovalada. La manguera puede ser subdividida, por ejemplo mediante incorporación de unos puentes, en dos o más cámaras. Por ejemplo se pueden emplear unas mangueras que son divididas en dos cámaras por medio de un puente que discurre radialmente. Se pueden emplear también unas mangueras, que contienen una o varias mangueras internas, que pueden eventualmente estar unidas en cada caso a través de un puente con la manguera externa. Sin embargo, también se puede proceder de tal manera que en una manguera externa con diámetro más grande se introduzcan una o varias mangueras con diámetro más pequeño. Se prefiere una manguera que está compuesta de una manguera externa y de una manguera interna que discurren coaxialmente. Se prefiere de manera especial una manguera 1 (doble manguera), que contiene una manguera interna 2 que discurre coaxialmente, la cual está unida a través de un puente 3 con la manguera externa 4; tal como la doble manguera reproducida en la Fig. 2, representándose en principio solamente las dimensiones y las medidas.

El dimensionamiento de las mangueras depende del dimensionamiento de la estructura de núcleo en forma de tronco de cono. Cuanto más grande está dimensionada la estructura de núcleo, tanto más larga es la manguera. El diámetro de la manguera depende asimismo del dimensionamiento de la estructura de núcleo en forma de tronco de cono. Cuanto más pequeños son los diámetros de la estructura de núcleo, tanto más pequeños son los radios de flexión de la manguera. El diámetro de la manguera ha de dimensionarse, como consecuencia de ello, de tal manera que ella pueda ser enrollada helicoidalmente en torno a la estructura de núcleo en forma de tronco de cono, sin que la manguera se doble.

La longitud de la manguera puede ser hasta de varios cientos de metros, preferiblemente de 50 m a 100 m. En el caso de unas .longitudes del arrollamiento de manguera a partir de 100 m, se procede de manera preferida componiendo el arrollamiento de manguera a base de varias mangueras, cuya longitud es preferiblemente en cada caso de 50 a 100 m. Los espesores de pared de la manguera o respectivamente de los puentes, que dividen al espacio interno de la manguera en cámaras separadas, y también los espesores de pared de las eventuales mangueras internas, dependen del dimensionamiento de la manguera. Por lo general los espesores de pared son de 1 a 10 mm, de manera preferida de 2 a 5 mm. El diámetro de la manguera no es por lo general de más que 200 mm, y de manera preferida es de 5 a 100 mm. En el caso de las formas de realización con una o varias mangueras internas, sus diámetros se dimensionan correspondientemente más pequeños.

Las mangueras se fabrican por lo menos parcialmente, de manera preferida completamente, a base de materiales transparentes o translúcidos. Como materiales transparentes se entienden aquellos, que dejan pasar a su través por lo menos un 80 % de la luz en la región espectral de 400 nm a 1.000 nm. Como materiales translúcidos se entienden aquellos, que dejan pasar a su través por lo menos un 50 % de la luz en la región espectral de 400 nm a 1.000 nm. Se prefieren los materiales transparentes.

Es esencial que aquellas zonas de la manguera, que están dispuestas entre el medio de cultivo y la(s) fuente(s) de luz para la iluminación del medio de cultivo, se fabriquen a base de materiales transparentes/translúcidos. Si el medio de cultivo se encuentra en la manguera exterior y el medio de intercambio de calor se encuentra en un segmento o una manguera situado/a en el interior, que son rodeados/as en cada caso por el medio de cultivo, entonces la manguera que contiene el medio de intercambio de calor, o respectivamente el segmento de manguera que contiene el medio de intercambio de calor, se puede fabricar a base de unos materiales no transparentes o respectivamente no translúcidos.

Unos materiales apropiados son vidrio y materiales sintéticos, por ejemplo unos homo-o copolímeros tales como un poli(metacrilato de metilo) (plexiglás), un poliéster tal como un PET, un policarbonato, una poliamida, un poliestireno, un polietileno, un polipropileno, un poli(cloruro de vinilo) o materiales de siliconas, tales como siliconas o copolímeros con segmentos de copolímeros de siliconas u orgánicos.

Para los componentes de la manguera, que entran en contacto con el medio de cultivo, se prefieren unos materiales de siliconas tales como siliconas o unos copolímeros con segmentos de copolímeros de siliconas y orgánicos. También se puede proceder de tal manera que los componentes de la manguera, que entran en contacto con el medio de cultivo, sean revestidos con unos materiales de siliconas tales como siliconas o copolímeros con segmentos de copolímeros de siliconas y orgánicos, siempre que ellos ya no sean fabricados a base de estos materiales.

De manera especialmente preferida, las mangueras se fabrican a base de materiales de siliconas, transparentes o translúcidos.

Unas siliconas preferidas para la producción de las mangueras son unas siliconas que se reticulan mediante una reacción de adición (cauchos de siliconas), pudiendo la reticulación mediante una reacción de adición ser iniciada por medios térmicos o mediante una radiación, así como segmentos copolímeros de siliconas y orgánicos (polímeros híbridos de siliconas).

Unos sistemas de cauchos de siliconas que se reticulan mediante una reacción de adición contienen a) unos compuestos orgánicos de silicio, que tienen radicales con enlaces múltiples de carbono-carbono alifáticos, b) eventualmente, unos compuestos orgánicos de silicio con átomos de hidrógeno unidos con Si o, en lugar de a) y b), c) unos compuestos orgánicos de silicio, que tienen radicales con enlaces múltiples de carbono-carbono alifáticos y átomos de hidrógeno unidos con Si, d) la reacción por adición de hidrógeno unido con Si a unos catalizadores que favorecen la formación de enlaces múltiples alifáticos y e) eventualmente unos agentes o medios que retrasan la reacción por adición de hidrógeno unido a Si a un enlace múltiple alifático a la temperatura ambiente.

Unos cauchos de siliconas que se reticulan mediante una reacción de adición, especialmente preferidos, son unos cauchos de silicona sólidos (HTV) que se reticulan al elevar la temperatura.

Unos cauchos de siliconas HTV reticulados mediante una reacción de adición se obtienen mediante la reticulación de unos organopolisiloxanos sustituidos múltiples veces con grupos insaturados etilénicamente, de manera preferida grupos vinilo, con unos organopolisiloxanos sustituidos múltiples veces con grupos Si-H, en presencia de catalizadores de platino.

De manera preferida, uno de los componentes de los cauchos de siliconas HTV-2 que se reticulan mediante una reacción de adición, se compone de unos dialquil-polisiloxanos que tienen la estructura R3SiO[-SiR2O]n-SiR3 con n ≥ 0, por lo general con 1 hasta 4 átomos de C en el radical alquilo R, pudiendo los radicales alquilo ser reemplazados total o parcialmente por unos radicales arilo tales como el radical fenilo, y en uno o ambos extremos, uno de los radicales R situados en los extremos es reemplazado por un grupo polimerizable, tal como el grupo vinilo. Sin embargo, se pueden utilizar también unos polímeros con grupos vinilo situados en los lados o respectivamente situados en los lados y en los extremos. De manera preferida, se emplean unos poli(dimetilsiloxanos) bloqueados en los extremos con vinilo, que tienen la estructura CH2=CH2-R2SiO[-SiR2O]n-SiR2-CH2=CH2 así como unos poli(dimetil-siloxanos) bloqueados en los extremos con vinilo que tienen la estructura mencionada, que además llevan todavía grupos vinilo situados en los lados. En el caso de unos cauchos de siliconas HTV que se reticulan mediante una reacción de adición, el segundo componente es un copolímero a base de dialquil-polisiloxanos y poli(alquil

hidrógeno-siloxanos) que tienen la fórmula general R’3SiO[-SiR2O]n-[SiHRO]m-SiR’3 con m ≥ 0, n ≥ 0 y R en el significado más arriba indicado, y con la condición de que deben estar contenidos por lo menos dos grupos SiH, pudiendo R’ tener el significado de H o R. Existen por consiguiente unos agentes reticulantes con grupos SiH situados en los lados o situados en los extremos, mientras que los siloxanos con R’ = H, que poseen solamente grupos SiH situados en los extremos, también se utilizan todavía para la prolongación de las cadenas. Como catalizadores de reticulación pasan a emplearse unos catalizadores de platino. Los cauchos de siliconas HTV se elaboran colmo un sistema de un solo componente.

Unos materiales apropiados son también unos polímeros híbridos de siliconas. Los polímeros híbridos de siliconas son copolímeros o copolímeros por injerto de bloques de polímeros orgánicos, por ejemplo de poliuretano, poliurea o poli(ésteres vinílicos), y de bloques de siliconas, por lo general constituidos sobre la base de poli(dialquil-siloxanos) con la especificación antes mencionada. Por ejemplo, unos polímeros híbridos de siliconas, termoplásticos, se describen en los documentos de patentes europeas EP 1412416 B1 y EP 1489129 B1, cuya divulgación a este respecto debe de ser también un objeto de esta solicitud. Tales polímeros híbridos de siliconas se designan como elastómeros de siliconas termoplásticos (TPSE). Unos materiales apropiados son también materiales híbridos de siliconas reticulables (por condensación o radiación) tal como se describen en el documento WO 2006/058656, cuya divulgación a este respecto debe de ser también objeto de esta solicitud.

Una recopilación detallada acerca de siliconas, sus propiedades químicas, su formulación y sus propiedades de uso se encuentra por ejemplo en la obra de Winnacker/Küchler, “Chemische Technik: Prozesse und Produkte, Band 5: Organische Zwischenverbindungen, Polymere” [Química técnica: procesos y productos, tomo 5: compuestos intermedios orgánicos y polímeros], páginas 1095-1213, Wiley-VCH Weinheim (2005).

Es esencial para la inhibición o respectivamente evitación de la infestación con microorganismos la morfología de la superficie de las mangueras de siliconas. La morfología de la superficie es determinada a través del ángulo de contacto de esta superficie con el agua. Son preferidas unas superficies con unos ángulos de contacto situados entre 100º y 120º, son especialmente preferidas unas superficies con unos ángulos de contacto comprendidos entre 100º y 115º, y son muy especialmente preferidas unas superficies con unos ángulos de contacto comprendidos entre 100º y 113º. El ángulo de contacto es ajustado por medio de la elección de los materiales de siliconas. Preferiblemente, se prescinde de adoptar otras medidas técnicas adicionales para la elevación del ángulo de contacto, por ejemplo una asperización de la superficie (p.ej. imitación del denominado efecto del loto). Tal asperización puede perturbar en efecto a la cultivación de los microorganismos fotótrofos. La determinación del ángulo de contacto de la superficie de las mangueras de siliconas con el agua puede efectuarse mediante unos métodos conocidos para un experto en la especialidad, por ejemplo de acuerdo con la norma DIN 55660-2, mediando empleo de unos aparatos de medición obtenibles en el comercio para la determinación del ángulo de contacto, por ejemplo los sistemas de medición de ángulos de contacto obtenibles de la entidad Krüss.

Eventualmente, las mencionadas siliconas, que se reticulan mediante una reacción de adición, pueden contener unos aditivos usuales para la promoción de la adhesión o unos usuales materiales de carga o materiales fibrosos destinados al mejoramiento de las propiedades mecánicas. Estos aditivos se emplean de modo preferible como máximo en unas cantidades tales que la pieza moldeada de silicona permanece transparente o respectivamente translúcida. Se pueden añadir también unos aditivos que conducen la luz y unos aditivos que desplazan a las ondas luminosas.

Los materiales de siliconas se emplean también para producir el revestimiento de los componentes de la manguera que entran en contacto con el medio de cultivo, en particular cuando los elementos constructivos no se fabrican a base de los mencionados materiales de siliconas.

Unos materiales de siliconas preferidos como agentes de revestimiento son, junto a los materiales de siliconas mencionados para la producción de las mangueras, todavía unos cauchos de siliconas que se reticulan por condensación a la temperatura ambiente, así como unos cauchos de siliconas al igual que unas resinas de siliconas y unos geles de siliconas que se reticulan mediante una reacción de adición a la temperatura ambiente.

Como cauchos de siliconas que se reticulan por condensación a la temperatura ambiente, que son apropiados como agentes de revestimiento, se han de mencionar unos sistemas de 1 componente que se reticulan a la temperatura ambiente, los denominados cauchos de siliconas RTV-1. En el caso de los cauchos de siliconas RTV-1 se trata de unos organopolisiloxanos con unos grupos extremos capaces de condensación, que se reticulan a la temperatura ambiente en presencia de unos catalizadores mediando condensación. Los más habituales son los dialquilpolisiloxanos que tienen la estructura R3SiO[-SiR2O]n-SiR3 con una longitud de cadena de n > 2. Los radicales R pueden ser iguales o diferentes y tienen por lo general de 1 hasta 4 átomos de C y pueden eventualmente estar sustituidos. Los radicales alquilo R pueden también ser reemplazados parcialmente por otros radicales, de manera preferida por unos radicales arilo, que eventualmente están sustituidos, y siendo los grupos alquilo (arilo) R intercambiados parcialmente por unos grupos capaces de reticularse por condensación, por ejemplo radicales de alcohol (sistema de alcoxi), de acetato (sistema de ácido acético), de amina (sistema de amina) o de oxima (sistema

de oxima). La reticulación es catalizada mediante unos apropiados catalizadores, por ejemplo catalizadores de estaño o de titanio.

Como cauchos de siliconas que se reticulan por condensación a la temperatura ambiente, apropiados como agentes de revestimiento, se han de mencionar también los sistemas de 2 componentes que se reticulan a la temperatura ambiente, los denominados cauchos de siliconas RTV-2. Los cauchos de siliconas RTV-2 se obtienen mediante reticulación por condensación de organopolisiloxanos sustituidos múltiples veces con grupos hidroxi, en presencia de ésteres de ácido silícico. Como agentes reticulantes se pueden emplear también unos alquil-silanos con grupos alcoxi (sistema de alcoxi), de oxima (sistema de oxima), de amina (sistema de amina) o de acetato (sistema de ácido acético) que se reticulan en presencia de unos apropiados catalizadores de condensación, por ejemplo catalizadores de estaño o titanio con los poli(dialquil-siloxanos) terminados en grupos hidroxi.

Ejemplos de los poli(dialquil-siloxanos) contenidos en los cauchos de siliconas RTV-1 y RTV-2 son los que tienen la fórmula (OH)R2SiO[-SiR2O]n-SiR2(OH) con una longitud de cadena de n > 2, pudiendo los radicales alquilo R ser iguales o diferentes, conteniendo en general de 1 hasta 4 átomos de C y pudiendo estar eventualmente sustituidos. Los radicales alquilo R pueden ser también reemplazados parcialmente por otros radicales, de manera preferida por unos radicales arilo, que eventualmente están sustituidos. De manera preferida, los poli(dialquil-siloxanos) contienen grupos OH terminales, que se reticulan a la temperatura ambiente con los ésteres de ácido silícico o con el sistema de un alquil-silano y un catalizador de estaño (titanio) a la temperatura ambiente.

Ejemplos de los alquil-silanos que tienen grupos hidrolizables, contenidos en los cauchos de siliconas RTV-1 y RTV2, son los que tienen la fórmula RaSi(OX)4-a, con a = 1 hasta 3 (de manera preferida 1), y con X en el significado de R’’ (sistema de alcoxi), C(O)R’’ (sistema de ácido acético), N=CR’’2 (sistema de oxima) o NR’’2 (sistema de amina), significando R’’ un radical hidrocarbilo monovalente con 1 hasta 6 átomos de carbono.

Unos cauchos de siliconas que se reticulan mediante una reacción de adición a la temperatura ambiente, apropiados como agentes de revestimiento, son los sistemas de 1 componente que se reticulan a la temperatura ambiente, los denominados cauchos de siliconas RTV-1 que se reticulan mediante una reacción de adición, los sistemas de 2 componentes que se reticulan a la temperatura ambiente, los denominados cauchos de siliconas RTV-2 que se reticulan mediante una reacción de adición, o también los sistemas de múltiples componentes que se reticulan a la temperatura ambiente. La reacción de reticulación puede en tal caso ser iniciada catiónicamente, por medio de unos correspondientes catalizadores, o por radicales, mediante unos peróxidos, o mediante una radiación, en particular una radiación de UV, o térmicamente.

Los cauchos de siliconas RTV-2 que se reticulan mediante una reacción de adición, se obtienen mediante una reticulación, catalizada con catalizadores de Pt, de unos organopolisiloxanos sustituidos con grupos múltiples veces insaturados etilénicamente, de manera preferida grupos vinilo, con unos organopolisiloxanos sustituidos múltiples veces con grupos Si-H en presencia de catalizadores de platino.

De manera preferida, uno de los componentes se compone de los dialquil-polisiloxanos que tienen la estructura R3SiO[-SiR2O]n-SiR3 con n ≥ 0, en general con 1 hasta 4 átomos de C en el radical alquilo, pudiendo los radicales alquilo ser reemplazados total o parcialmente por unos radicales arilo tales como el radical fenilo, y en un extremo o en ambos extremos uno de los radicales R situados en los extremos está reemplazado por un grupo polimerizable tal como el grupo vinilo. Asimismo, en parte, algunos radicales R en la cadena de siloxano, también en combinación con los radicales R de los grupos extremos, pueden ser reemplazados por grupos polimerizables. De manera preferida se emplean unos poli(dimetil-siloxanos) bloqueados en los extremos con vinilo, que tienen la estructura CH2=CH2-R2SiO[-SiR2O]n-SiR2-CH2=CH2.

El segundo componente contiene un agente reticulante con funciones Si-H. Los poli(alquil-hidrógeno-siloxanos) usualmente utilizados son unos copolímeros de dialquil-polisiloxanos y poli(alquil-hidrógeno-siloxanos) que tienen la fórmula R’3SiO[-SiR2O]n-[SiHRO]m-SiR’3 con m ≥ 0, n ≥ 0 y con la condición de que deben estar contenidos por lo menos dos grupos SiH, pudiendo R’ tener el significado de H o de R. Existen por lo tanto unos agentes reticulantes con grupos SiH situados en los lados y situados en los extremos, mientras que los siloxanos con R’ = H que solamente poseen grupos SiH situados en los extremos, también se pueden utilizar todavía para la prolongación de las cadenas. Como el catalizador de reticulación están contenidas pequeñas cantidades de un compuesto orgánico de platino.

En los últimos tiempos, son obtenibles en el comercio además todavía unos cauchos de siliconas especiales, que son reticulados mediante la descrita reacción de adición, activando por medios térmicos y/o fotoquímicos a unos especiales complejos de platino o respectivamente sistemas de platino y un agente inhibidor, y catalizando por consiguiente a la reacción de reticulación.

Ciertas resinas de siliconas son asimismo unos materiales apropiados para la producción del revestimiento transparente o translúcido. Por lo general, estas resinas de siliconas contienen unas unidades de la fórmula general

Rb(RO)cSiO(4-b-c)/2, en donde b es igual a 0, 1, 2 ó 3, c es igual a 0, 1, 2 ó 3, con la condición de que b+c ha de ser ≤ 3, y R tiene el significado indicado más arriba para él, que constituyen una red de órgano-silicona reticulada en alto grado. Las resinas de siliconas pueden pasar a emplearse exentas de disolventes, con un contenido de disolventes

o como sistemas acuosos. Además de esto, se pueden emplear también unas resinas de siliconas funcionalizadas p.ej. con grupos epoxi o amino.

Ciertos geles de siliconas son asimismo unos materiales apropiados para la producción del revestimiento transparente o traslúcido. Estos geles de siliconas se producen a partir de dos componentes moldeables por colada, que a la temperatura ambiente se reticulan en presencia de un catalizador. Uno de los componentes se compone por lo general de dialquil-polisiloxanos que tienen la estructura R3SiO[-SiR2O]n-SiR3, con n ≥ 0, por lo general con 1 hasta 4 átomos de C en el radical alquilo, pudiendo los radicales alquilo ser reemplazados total o parcialmente por unos radicales arilo tales como el radical fenilo, y en uno o en ambos extremos uno de los radicales R situados en los extremos es reemplazado por un grupo polimerizable tal como el grupo vinilo. Asimismo, en parte, algunos radicales R en la cadena de siloxano, también en combinación con los radicales R de los grupos extremos, pueden ser reemplazados por grupos polimerizables. De manera preferida se emplean unos poli(dimetil-siloxanos) bloqueados en los extremos con vinilo, que tienen la estructura CH2=CH2-R2SiO[-SiR2O]n-SiR2-CH2=CH2.

El segundo componente contiene un agente reticulante con funciones Si-H. Los poli(alquil-hidrógeno-siloxanos) utilizados usualmente son unos copolímeros de dialquil-polisiloxanos y poli(alquil-hidrógeno-siloxanos) que tienen la fórmula general R’3SiO[-SiR2O]n-[SiHRO]m-SiR’3 con m ≥ 0, n ≥ 0 y con la condición de que por lo menos deben estar contenidos dos grupos SiH, pudiendo R’ tener el significado de H o R. Existen por consiguiente unos agentes reticulantes con grupos SiH situados en posiciones laterales y en posiciones extremas, mientras que unos siloxanos con R’ = H, que poseen solamente grupos SiH situados en los extremos, también se pueden utilizar todavía para la prolongación de las cadenas. Como catalizador de reticulación están contenidas pequeñas cantidades de un compuesto orgánico de platino. Mediante la mezcladura de los componentes se desencadena la reacción de reticulación y se forma el gel. Esta reacción de reticulación puede ser acelerada mediante la acción de calor y/o por medio de una radiación electromagnética, de manera preferida una radiación de UV.

Una recopilación detallada acerca de siliconas, sus propiedades químicas, su formulación y sus propiedades de uso se encuentra por ejemplo en la obra de Winnacker/Küchler, “Chemische Technik: Prozesse und Produkte, Band 5: Organische Zwischenverbindungen, Polymere”, páginas 1095-1213, Wiley-VCH Weinheim (2005).

En una forma preferida de realización, los materiales para las mangueras pueden contener unos aditivos usuales tales como materiales de carga o materiales fibrosos destinados al mejoramiento de las propiedades mecánicas. Estos aditivos se emplean de manera preferida como máximo en unas cantidades tales que el material de las mangueras permanece transparente o respectivamente translúcido. Se pueden añadir también unos aditivos que conducen la luz y/o unos aditivos que desplazan a las ondas luminosas.

La producción se puede efectuar con las tecnologías consagradas de la elaboración de materiales sintéticos, que se emplean para la producción de cuerpos moldeados. En particular, en el caso de las siliconas, mediante una extrusión o un moldeo por inyección para la conformación de siliconas termoplásticas (moldeo por inyección de materiales termoplásticos), de siliconas elastómeras (moldeo por inyección de elastómeros) o de siliconas termoestables (moldeo por inyección de materiales termoestables). Sin embargo se pueden usar también unos procedimientos combinados tales como p.ej. el denominado de “exyección” (de extrusión y moldeo por inyección).

Para producir un revestimiento las siliconas se aplican en forma líquida, ya sea en forma de una sustancia pura, como una solución o en una emulsión acuosa. De manera preferida, la viscosidad del líquido que se ha de aplicar para producir el revestimiento es de 10 mPas a 300.000 mPas. La aplicación puede efectuarse mediante las técnicas usuales, preferiblemente por extensión con brocha, atomización, inmersión, aplicación con rasqueta o moldeo por colada. Se prefieren especialmente en el presente caso la aplicación por inmersión y la aplicación por atomización. Sin embargo para producir un revestimiento de tubos se pueden usar también todavía otras variantes tales como p.ej. aplicación con esponja, centrifugación, extrusión o respectivamente extrusión con cabeza transversal, así como para superficies planas adicionalmente todavía una aplicación por medio de un revestimiento con cilindros, un revestimiento con rodillos o una impregnación por un solo lado.

Por lo general, el espesor del revestimiento es de 10 nm a 1.000 μm, de manera preferida de 1 μm a 100 μm. Eventualmente, las partes del reactor que se han de revestir pueden ser tratadas previamente con el fin de mejorar la adhesión de las siliconas, por ejemplo mediante un tratamiento por efecto corona. Eventualmente, las siliconas pueden contener unos aditivos usuales para la promoción de la adhesión o unos materiales de carga usuales para el mejoramiento de las propiedades mecánicas. Estos aditivos se emplean de manera preferida como máximo en unas cantidades tales que el revestimiento de silicona permanece transparente o respectivamente translúcido.

La iluminación se efectúa por lo general mediante la luz solar, que eventualmente puede ser complementada por una luz artificial (fuentes artificiales de luz). De manera preferida, para la iluminación artificial se emplean unos medios de iluminación que contienen LED’s (diodos electroluminiscentes). Sin embargo, son apropiadas también 8 10

otras fuentes artificiales de luz tales como, por ejemplo, lámparas de materiales luminiscentes con fluorescencia, lámparas de neón, lámparas de vapor de metal, lámparas de gas noble, lámparas halógenas o lámparas de plasma de azufre. En el caso de la iluminación con fuentes artificiales de luz, las condiciones de cultivo pueden ser optimizadas mediante el empleo de unas fuentes de luz con unas longitudes de onda definidas, con una intensidad definida y eventualmente mediante fuentes de luz pulsantes. Unas disposiciones para la iluminación artificial se instalan preferiblemente en el interior de la estructura de núcleo, pero pueden ser instaladas también entre los arrollamientos de mangueras. Se puede concebir también el recurso de introducir o respectivamente incorporar las fuentes artificiales de luz, por ejemplo en forma de cadenas de LED’s, en una o varias cámaras de las mangueras del fotobiorreactor de mangueras.

En cada caso junto a los extremos de una manguera las cámaras individuales están unidas con una unidad central, que cierra el circuito del medio de cultivo y el circuito del medio de intercambio de calor. Esta unidad central puede ser asimismo una manguera con por lo menos dos cámaras, análoga a la manguera, que se emplea para el arrollamiento en torno a la estructura de núcleo. De manera preferida, los segmentos de manguera que contienen el medio de intercambio de calor son unidos con un tubo central vertical, dispuesto en el interior de la estructura de núcleo o fuera de la estructura de núcleo, que cierra el circuito para el medio de intercambio de calor. Los segmentos de manguera que contienen el medio de cultivo están unidos de manera preferida asimismo con un tubo central vertical, dispuesto en el interior de la estructura de núcleo o fuera de la estructura de núcleo, que cierra el circuito para el medio de cultivo.

De manera preferida, se procede de tal modo que en una manguera, que se compone de una manguera externa y de una manguera interna que discurre coaxialmente, la manguera interna es llenada con un medio de cultivo y la manguera externa es llenada con un medio de intercambio de calor.

El medio de cultivo, que contiene los organismos fotótrofos, es transportado en general desde un recipiente de almacenamiento de reserva a las correspondientes cámaras de la(s) manguera(s). El transporte puede efectuarse mecánicamente mediante una bomba, efectuándose la corriente de transporte en forma pulsante. En la manguera el transporte del medio de cultivo puede efectuarse mediante elevación por aire (en inglés airlift), es decir mediante aire

o mediante una mezcla de aire y CO2 o también mediante nitrógeno como gas portador, que simultáneamente asegura el abastecimiento con CO2 del medio del cultivo. La aportación de CO2 o de gases que contienen CO2 puede efectuarse sin embargo, también, por separado y en forma pulsante, a través de un sistema mezclador o en la parte preliminar de la bomba y por consiguiente puede servir para el aumento del valor del pH en el medio de cultivo.

En el caso de un funcionamiento con un sistema de elevación por aire, han de tomarse en cuenta las condiciones hidrodinámicas al realizar el dimensionamiento del fotobiorreactor de mangueras. En principio, el funcionamiento con un sistema de elevación por aire se puede llevar a cabo en dos diferentes formas de ejecución. Las mangueras enrolladas helicoidalmente son recorridas por un gas y actúan como “”riser’’ (tubo de subida) y el tubo central sirve como “downer’’ (tubo de descenso). A la inversa, el tubo central puede ser recorrido por un gas y las mangueras enrolladas helicoidalmente sirven como tubo de descenso. En los caso de ambas disposiciones, junto al extremo superior del fotobiorreactor de mangueras ha de instalarse un dispositivo de descarga de gases para el intercambio activo de gases.

La aportación del medio de cultivo puede efectuarse de una manera arbitraria, por los lados, por arriba o por abajo. De manera preferida la aportación del medio del medio de cultivo se efectúa por el extremo inferior de la manguera enrollada helicoidalmente o respectivamente de los segmentos de manguera enrollados helicoidalmente, en el caso de que estén enrolladas varias mangueras separadas. El medio de cultivo es transportado desde las mangueras hasta el tubo central vertical y en el caso de presentarse una correspondiente densidad, la suspensión del medio de cultivo es sacada en su segmento inferior. La separación de los organismos cultivados se efectúa en una unidad separadora, por ejemplo mediante centrifugación, filtración o sedimentación.

El medio de intercambio de calor puede ser introducido, por el extremo superior o por el extremo inferior de la manguera enrollada helicoidalmente o respectivamente de los segmentos de manguera enrollados helicoidalmente, dentro de las correspondientes cámaras. El transporte se efectúa preferiblemente de modo neumático mediante una bomba, en isocorriente o en contracorriente con relación al medio de cultivo. El circuito del medio de intercambio de calor puede contener eventualmente una unidad intercambiadora de calor para la regulación de la temperatura del medio de intercambio de calor. La temperatura del medio de intercambio de calor depende en lo esencial de la temperatura del entorno y puede ser ajustada de un modo correspondiente.

De manera preferida, el funcionamiento del fotobiorreactor de mangueras se organiza mediante una tecnología de automatización. Dentro de este concepto se cuentan la vigilancia automática y el ajuste automático de parámetros específicos del proceso tales como las velocidades de circulación, la temperatura, el intercambio de gases, el intercambio de líquidos, la densidad o respectivamente la viscosidad, el contenido de sales del medio de cultivo, eventualmente la luz en el caso de una iluminación artificial (intensidad, longitud de onda, ciclo de claridad y oscuridad, adaptación/cambio cronológica/o).

Se pueden conectar conjuntamente en serie o paralelo también varios fotobiorreactores de mangueras como módulos individuales. En la Figura 3 esto se reproduce esquematizado de un modo basto. Dos fotobiorreactores de mangueras 5 están dispuestos uno junto a otro en serie y son abastecidos por dos recipientes de almacenamiento de reserva 6. El medio de cultivo es movido a través de una unidad de bomba 7 común. En la unidad separadora 8

5 se efectúa la separación de los organismos fotótrofos desde el medio de cultivo.

El fotobiorreactor de mangueras conforme al invento tiene la ventaja de que, a causa de la estructura de núcleo en forma de tronco de cono y del arrollamiento helicoidal de la manguera, se optimiza la incidencia de la luz y se reduce el sombreado. Mediante la construcción de la manguera con múltiples cámaras se garantiza la regulación continua de la temperatura por toda la longitud de la manguera, lo cual hace posible por una parte la cultivación a gran escala 10 de microorganismos sensibles a fluctuaciones de temperatura, pero también se minimizan las fluctuaciones de temperatura naturales, debidas al momento del día. Una ventaja esencial en el caso del empleo de los mencionados materiales de siliconas consiste en que se reducen grandemente las deposiciones junto a las paredes en las zonas de la manguera, que entran en contacto con el medio de cultivo, o respectivamente los organismos eventualmente depositados se pueden eliminar esencialmente con mayor facilidad que en el caso de los materiales usualmente

15 empleados tales como un vidrio.

Claims

REIVINDICACIONES

1.

Fotobiorreactor de mangueras con una estructura de núcleo en forma de tronco de cono y una o varias mangueras transparentes o translúcidas, que están enrolladas helicoidalmente en torno al lado exterior y/o al lado interior de la estructura de núcleo, caracterizado porque la(s) manguera(s) transparente(s) o translúcida(s) tiene(n) por lo menos dos cámaras, de las cuales por lo menos una es recorrida por el medio de cultivo y por lo menos otra es recorrida por un medio de intercambio de calor, y los arrollamientos de la(s) manguera(s) se colocan a distancia entre ellos y el transporte del medio de cultivo se efectúa de un modo pulsante.
2.

Fotobiorreactor de mangueras de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la estructura de núcleo en forma de tronco de cono es una estructura tridimensional, con una superficie de base redonda o poligonal y con lados inclinados hacia dentro en el ángulo de inclinación α.
3.

Fotobiorreactor de mangueras de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la(s) manguera(s) transparente(s) o translúcida(s) se compone(n) de una manguera exterior y de una manguera interior que discurren coaxialmente.
4.

Fotobiorreactor de mangueras de acuerdo con las reivindicaciones 1 hasta 3, caracterizado porque las mangueras transparentes o translúcidas se producen a base de un vidrio o material sintético.
5.

Fotobiorreactor de mangueras de acuerdo con las reivindicaciones 1 hasta 4, caracterizado porque las mangueras transparentes o translúcidas se producen a base de unos materiales de siliconas.
6.

Fotobiorreactor de mangueras de acuerdo con las reivindicaciones 1 hasta 4, caracterizado porque las mangueras transparentes o translúcidas son revestidas con materiales de siliconas, si es que ya no han sido fabricadas a base de estos materiales.
7.

Fotobiorreactor de mangueras de acuerdo con las reivindicaciones 1 hasta 6, caracterizado porque varios fotobiorreactores de mangueras están conectados conjuntamente en serie o en paralelo como módulos individuales.
8.

Procedimiento para la producción de organismos fotótrofos mediante fotobiorreactores de mangueras de acuerdo con las reivindicaciones 1 hasta 7.
9.

Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque en una manguera, que se compone de una manguera exterior y de una manguera interior que discurren coaxialmente, la manguera interior está llena con un medio de cultivo y la manguera exterior está llena con un medio de intercambio de calor.
10.

Procedimiento para la producción de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque en una manguera que se compone de una manguera exterior y de una manguera interior que discurre coaxialmente, la manguera interior es llenada con un medio de intercambio de calor y la manguera exterior es llenada con un medio de cultivo, siendo fabricada eventualmente la manguera que contiene el medio de intercambio de calor, a base de materiales no transparentes o no translúcidos.