ES2407460B1 - Sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos - Google Patents

Abstract

Sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos.#El sistema incluye reactores (1, 2, 3) con diferentes volumetrías conteniendo un medio de cultivo y suspendidos por pares (1,1), (2,2), (3,3) en unidades de soporte (16). Los reactores de un mismo par (1,1), (2,2) o (3,3) con igual paso óptico y previstos a un mismo nivel. Cada par de reactores situado a nivel distinto en la unidad de soporte (16) y creciente el paso óptico en relación al ascenso del nivel. Los pares de reactores (1,1), (2,2), (3,3) a un mismo nivel en las unidades de soporte (16) están comunicados por una conducción (18), (21). También incluye un inyector de gases automatizado, un difusor y reservorios herméticos.

Description

Sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos.

AMBITO TECNICO

La invención se refiere a un sistema con reactores de paso óptico diferenciado que ha sido diseñado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos, y está particularmente, pero no exclusivamente, prevista para el cultivo de microalgas y, de manera específica para el cultivo de nanoalgas y picoalgas, de diámetros celulares comprendido entre 20.0 y 2.0 µm las primeras y menores de 2.0 µm las segundas, con la finalidad de obtener altas cantidades de biomasa, siendo su principal fuente de carbono los gases de efecto invernadero (CO2, CO, CH4, hidrocarburos de baja densidad, componentes azufrados y nitrogenados) de origen entrópico. Los microorganismos para el cultivo se prefieren escogidos de las familias taxonómicas Chlorophyceae, Prasinophyceae, Eustigmatophyceae, Dinophyceae, Bacilliariophyceae, Haptophycea, Chryptophyceae, aunque no se excluye la utilización de otros organismos fitoplanctónicos o zooplanctónicos. Las especies unicelulares y pluricelulares del reino Procariota, división Cyanophyta pueden ser igualmente cultivadas en este tipo de bioreactores.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Las microalgas son organismos celulares ubicuos que pueden crecer de manera autótrofa y heterótrofa. Precisan de CO2, N2, P, K, Mg y otros nutrientes para su crecimiento, fijando la energía solar y el CO2 para producir biomasa, de la que es posible aislar diferentes metabolitos para ser usados en la alimentación, farmacia y otras aplicaciones industriales, como la obtención de biocombustibles de segunda generación.

Esta conocida biotecnología utiliza reactores para el cultivo de los microorganismos fotosintéticos, en los cuales se mantiene un ambiente biológicamente activo para optimizar la tasa de crecimiento del cultivo. Estas unidades productivas, comúnmente denominadas reactores, bioreactores o foto-bioreactores, requieren de agitación del cultivo, exposición a la luz, natural o artificial, y de períodos de sombra para que la fotosíntesis sea realizada e incluyen medios de alimentación, evacuación y de circulación del líquido en los recintos que los configuran, además de medios que facilitan la aireación y la inyección de gases contaminantes y, en su caso, de automatismos de control que regulan el cultivo. Todo ello con el fin de que se produzcan los procesos químicos en los que están involucrados los organismos o las sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos, habida cuenta de que la optimización productiva exige, entre otros factores, la elección de la especie a cultivar, los ciclos de luz y de oscuridad, etc. El tiempo de permanencia de las células en zonas iluminadas y la frecuencia en que reciben iluminación no solo dependen de la trayectoria de la luz, sino además del mezclado del medio de cultivo. En un mismo reactor es posible establecer diferentes condiciones de mezclado para manipular el régimen de iluminación y así la capacidad de captación de fotones. De igual manera el medio de cultivo debe tener una composición específica que optimice el crecimiento de los microorganismos al menor costo, siendo el rango de temperaturas y la elección de la temperatura óptima, al igual que la acidez y salinidad, factores de consideración especial. Independientemente de la configuración del reactor y de alinear cuidadosamente las condiciones ambientales en el mismo con las necesidades de la cepa seleccionada, también es fundamental el suministro de nutrientes, incluido CO2.

Los reactores destinados al cultivo de microorganismos suelen ser construidos con materiales que dejan pasar la luz a fin de que en su interior pueda producirse la fotosíntesis. Estos receptáculos se construyen con vidrio, policarbonatos u otros materiales transparentes o traslúcidos, adoptando cualquier forma sensiblemente regular, aplanada, cilíndrica, prismática, entre otras formas. En ellos, las células reciben mayor energía luminosa, se aumenta la capacidad de captación de fotones y se aprovecha la energía radiante durante la fotosíntesis. A bajos niveles de intensidad luminosa la rapidez de la fotosíntesis aumenta con la intensidad de la luz aunque niveles de energía incidente superiores a un determinado valor inducen pequeños cambios en la capacidad de captación de fotones, dada la saturación del fotosistema que sobreviene en cada organismo, llegando a deteriorar el cultivo. Con el aumento del flujo de fotones, disminuye la eficiencia de utilización a la luz. La utilización de la luz natural solar, pese a representar una gran ventaja económica y medioambiental frente a la artificial, ofrece como inconveniente variaciones cíclicas de iluminación además de excesiva intensidad de radiación en las capas superficiales del cultivo. Hace muy pocos años que fueron introducidas técnicas de captación, concentración y redistribución de la luz solar en el cultivo, con cuya utilización se ha encarecido el proceso y reducida la eficiencia debido a pérdidas energéticas.

En un reactor con baja densidad celular o con una capa delgada de microorganismos se considera que, aproximadamente, todas las células atraídas y expuestas a la luz reciben la misma cantidad de luz, pero cuando se trata de cultivos con una elevada densidad celular, o con una capa de considerable amplitud, se producen otros fenómenos cuya sucesión obliga a que las células reciban una determinada cantidad de luz según su posición. Así, en los cultivos en reactores con cierta profundidad, aparece un gradiente de iluminación debido a la atenuación de la energía al atravesar la suspensión celular. Además, se produce una dilución de la luz por la sombra que proyectan unas células sobre otras, de modo que la posición de las células en cada instante determina la intensidad de luz a la que están expuestas y, por tanto, se inhibe o limita la fotosíntesis. Así disminuye la producción de cultivo en las zonas de sombra, por lo que resulta conveniente seleccionar de forma adecuada el tamaño o la forma de los

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reactores, aunque, típicamente, en un sistema de cultivo todos los reactores se prefieren de igual forma o de un mismo tamaño, pretendiendo de esta manera que la producción final obtenida en ella sea alta.

Mención especial merece el espacio recorrido por la luz en el reactor. La distancia transversal que debe recorrer un fotón

para atravesar un reactor es denominada “paso óptico”. Su magnitud se determina atendiendo al tipo de reactor, por

ejemplo en un reactor de placas es determinada por la separación entre las mismas y en un reactor tubular por el diámetro del tubo. Incrementar el paso óptico implica reducir el volumen iluminado en relación al volumen no iluminado en el reactor, debido a que en todos los sistemas de cultivo las células más cercanas a la superficie iluminada impiden la penetración de la luz hacia el seno del medio de cultivo y producen un efecto de sombreado sobre las células más alejadas de la superficie. Diversos ensayos coinciden en que al reducir la trayectoria de la luz se obtiene un aumento significativo de la densidad celular óptima y de la velocidad especifica de crecimiento.

Algunos microorganismos fotosintéticos requieren ambientes diferentes para el crecimiento vegetativo y para la producción de biomasa. Típicamente, tal y como es ejemplificado en las patentes US 5882849 y US 6022701, suele establecerse un proceso productivo de dos fases, comprendiendo, en la primera fase, condiciones ambientales óptimas para el crecimiento vegetativo y, en la segunda fase, manteniendo condiciones estresantes para la producción de biomasa. Dado que las fases se organizan por separado, estas técnicas de cultivo requieren grandes espacios y cuantiosos costes de instalación y mantenimiento, además de personal cualificado, por lo que no pueden aplicarse eficientemente para la obtención de biomasa a partir de microorganismos fotosintéticos.

En WO 2005059087 se describe un foto-bioreactor de múltiples capas que simplifica el cultivo de un microorganismo fotosintético y economiza la obtención de metabolitos útiles aplicando la misma fuente de luz al mismo tiempo para ambas etapas. El foto-bioreactor incluye una primera zona de cultivo que contiene a los microorganismos en un medio de cultivo apto para favorecer su desarrollo vegetativo y una segunda zona de cultivo formada sobre la superficie lateral de la primera zona de cultivo que delimita estrechamente un lado de la primera zona y contiene un medio de cultivo y microorganismos para la producción del metabolito. Las dos zonas de cultivo están separadas entre sí por un tabique transparente para permitir el paso de la luz, lo que dificulta su manejabilidad.

Por otro lado y dentro del campo de diseño de sistemas de cultivo para microorganismos fotosintéticos un inconveniente se presenta en la regulación de la agitación o mezclado del cultivo, dado que la aireación del cultivo mediante aire comprimido es habitualmente usada en los reactores para manipular el régimen de iluminación, aunque precisa de un riguroso control a fin de procurar el aumento de la tasa de fotosíntesis y la productividad en el cultivo sin causar daño mecánico a las células, siendo evidente que su intensidad dependerá de la cepa escogida para el cultivo, aunque su adecuada distribución pudiera depender del diseño del difusor utilizado.

Adicionalmente, otro inconveniente se presenta en la regulación de entrada de gases en los sistemas de cultivo en la que los sistemas de inyección de gases trabajan con presiones y flujos de caudal excesivos, dado que una presión elevada condiciona una mayor presión parcial de CO2 en el gas con contenido en CO2 cargado en el reactor, lo que conduce a una mayor concentración en equilibrio del CO2 en el medio, acelera el transporte de CO2 en los microorganismos y condiciona una intensificación de la reacción de fotosíntesis. Si como fuente de CO2 se emplea gas de escape con contenido en CO2, la concentración en equilibrio en el medio se aumenta igualmente/adicionalmente y, con ello, se acelera claramente la fotosíntesis y el desarrollo de las algas.

Por lo tanto, existía el problema de disponer de reactores que hicieran posible el cultivo en un sistema cerrado o en un sistema abierto y con una intensidad de irradiación lo más uniforme posible además de óptima en el volumen ocupado, estimulando, además, el desarrollo vegetativo del cultivo y la producción de biomasa a gran escala técnica, manejables unipersonalmente y estables frente a fenómenos geológicos o ambientales. Otro problema consistía en mejorar la aireación del cultivo y la entrada de gases en aras de la eficacia productiva.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

Un objeto de la invención es estimular el desarrollo vegetativo e incrementar la producción de biomasa en el sistema mediante la disposición de reactores con diferente paso óptico en una misma agrupación en la que resulten organizados por pares de igual paso óptico en un soporte vertical respecto al cual puedan oscilar, de manera que su oscilación ante seísmos, vientos u otros fenómenos evite roturas o descuajeringues en los mismos e impida fugas de su contenido, cada par de reactores suspendido a diferente nivel en el soporte según su diferente paso óptico y de manera que los pares de reactores de menor paso óptico se presenten en la proximidad de la base del soporte y sucesivamente dispuestos a niveles superiores en el soporte los de mayor paso óptico, siendo también unipersonalmente manipulables los reactores para su incorporación o retirada de su soporte, permitiendo, en su caso, la combinación de reactores y reservorios de diferente configuración.

Otro objeto de la invención es mejorar la inyección y difusión del aire y gases en los reactores, procurando la reducción de la presión de trabajo desde 1 kg/cm2 a 0,2 kg/cm2 en la inyección de gases en el sistema, al igual que la reducción del caudal de inyección, desde 3 ó 4 litros/minuto en la actualidad a 1 litro/minuto, de manera que se optimicen las condiciones del cultivo.

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En consecuencia, se proporciona un sistema para el cultivo de microorganismos fotosintéticos, cuyos reactores sean económicos de fabricar, manejar y mantener por una sola persona y con el que se obtiene un incremento notable de la producción respecto de un sistema de reactores convencional merced a la estructuración, ordenación y disposición de los reactores en el sistema

DESCRIPCION DE LA INVENCION

Con estos propósitos, la invención proporciona un sistema, que incluye al menos una primera pluralidad de unidades productivas, o reactores, que contienen un medio de cultivo y un microorganismo capaz de crecer vegetativamente en el medio de cultivo, por lo menos una adicional pluralidad de unidades productivas con mayor paso óptico, superiormente dispuesta y separada de dicha primera pluralidad de unidades productivas para continuar el desarrollo vegetativo del organismo crecido en las unidades productivas de dicha primera pluralidad de unidades productivas, ambas, primera pluralidad de unidades productivas y por lo menos una adicional pluralidad de unidades productivas, expuestas al mismo tiempo a la luz solar o a una fuente de luz artificial o a una combinación de ambas.

Acorde con lo dicho, el sistema consta de una serie de unidades productivas independizadas entre sí, materializadas en reactores de placas a ser manejados por un único individuo, con una superficie media de exposición a la luz comúnmente aceptable para optimizar la fotosíntesis y con pasos ópticos de diferente magnitud, en función de su presumible utilización en el sistema y según se pretenda lograr una alta productividad en el desarrollo vegetativo, o se pretenda la concentración o el almacenamiento del cultivo previamente a su recogida.

Frente a los movimientos sísmicos, vientos u otros fenómenos naturales y a los efectos de evitar desperfectos o roturas no deseadas y las consiguientes pérdidas del cultivo, en el sistema propuesto se prevé que las unidades productivas resulten dispuestas, a niveles distintos y por pares, en travesaños de soporte o en colgadores dispuestos en puntales u otros soportes verticales, o entre puntales anclados al suelo, suspendidas a intervalos espaciados, aunque de manera que puedan oscilar. Los pares de unidades productivas son dispuestos en los puntales en orden creciente de paso óptico, de modo que los pares de unidades productivas de mayor paso óptico resultan en la zona más alta de los mismos, o en la zona más alta entre los mismos si se sitúan entre puntales, y en orden decreciente de paso óptico sucesivamente hacia su base en donde es menor la cantidad o intensidad de luz recibida. La altura de los puntales se prevé en el rango de diez a doce metros, previéndose la incorporación en los mismos de al menos cuatro unidades productivas y, con preferencia, ocho unidades productivas, de manera que el cultivo pueda ser transportado por gravedad y, en su caso, por bombeo, entre las unidades productivas superiores y las inferiores.

La disposición en diferentes niveles de las unidades productivas sobre los soportes verticales posibilita la formación de un modelo constructivo modular con un gran ahorro de suelo, redundando, por tanto, en el logro de una alta rentabilidad y productividad de la superficie. En este sentido, las unidades modulares de soporte constituidas por las unidades productivas y los puntales de sostén permiten ser incorporadas al terreno, sea éste un espacio al aire libre, recinto cerrado, o edificio, en cualquier disposición y orientación, aunque con preferencia orientadas a la fuente de luz escogida, natural, artificial o combinación de ambas, y de acuerdo con la producción de cultivo pretendida y con el propósito de que pueda lograrse un sensible aumento del cultivo respecto de los sistemas convencionales. Las unidades modulares de soporte pueden estar dispuestas alineadas siguiendo cualquier línea geométrica, abierta o cerrada, e, incluso en disposiciones piramidales, octogonales, etc. Las unidades modulares están comunicadas entre sí, aunque la intercomunicación solo está establecida entre las unidades productivas del mismo nivel, mediante correspondientes instalaciones, líneas o conducciones que facilitan el suministro y distribución de aireación, de recirculación de aguas y de gases contaminantes CO, CO2, NO2, SH2, o nitrosaminas del medio atmosférico. La comunicación entre las unidades productivas situadas a distinto nivel en las unidades modulares de soporte se realiza mediante derivadores que permiten transportar el cultivo hacia unidades centralizadas en el sistema, por ejemplo reactores específicos a ser utilizados como reservorios.

Estas agrupaciones de unidades productivas de pasos ópticos diferenciados, pretendiendo el óptimo dimensionamiento estructural, la ergonomía en la manipulación y el menor costo en la ocupación del suelo, permiten combinar reactores de distinta configuración, por ejemplo reactores planos y reactores tubulares, utilizando estos últimos como unidades de llenado o reservorios de almacenamiento de gran hermeticidad que mantienen la suspensión hasta la centrifugación. Con esta configuración se logra el óptimo dimensionamiento del sistema.

Ventajosamente, según la invención, los reservorios se prefieren como reactores de tubos concéntricos cerrados por sus extremos mediante tapas con ranuras de encaje previstas concéntricas en correspondencia con el posicionamiento de los tubos y diámetro equivalente, aunque mayor. Para el supuesto de presiones comprendidas entre 0,8 y 4 bares y al objeto de mejorar la sujeción de los tubos y procurar mayor hermeticidad en su asiento y encaje con las tapas se ha optado por la cooperación de aros de empuje que, independientes unos de otros, pueden ser fijados a las tapas para actuar sobre las juntas de hermeticidad, deformándolas y obligándolas contras las respectivas paredes de los tubos. Para un deslizamiento y encaje precisos, al menos una superficie oblicua se prevé en cada una de las ranuras de encaje, la cual superficie se extiende desde la abertura de la ranura hasta la proximidad de su fondo, del que le separa un escalón en el que apoya la junta de hermeticidad. En mutua correspondencia, los aros de empuje están configurados con un reborde de empuje de sección próxima y adaptable

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a la ranura de encaje, con una superficie oblicua que favorece el deslizamiento y, en la manera habitual, provistos de una faja periférica para su fijación a la respectiva tapa.

Otro aspecto de la invención es la inyección de gases contaminantes en la línea general de aireación, la cual se resuelve en el sistema propuesto de manera que no sólo permite reducir o variar las presiones de trabajo en la línea general desde los 0,2 kg/cm2, sino que además tolera flujos inferiores a los 3 ó 4 litros por minuto que son frecuentes en los inyectores habituales, llegando al litro por minuto. Dado que la optimización en la mezcla de gases y el aire precisa reducir y variar su presión o su caudal a la entrada en la conducción general de aireación de manera que ésta pueda realizarse en los reactores preferiblemente desde los 0,2 bares al par y entre los dos pares y hasta los 4 bares en los reactores semicilíndricos y cilíndricos, y con caudales comprendidos entre los 0,5 litros y 20 litros por minuto, frente a los sistemas convencionales que parten de presiones de un bar o superiores y puesto que, además, suelen emplearse bombas centrífugas y válvulas anti-retorno para inyectar los gases a la conducción general de aireación, la utilización del inyector de gases que la invención preconiza, esencialmente compuesto por dos cilindros, en el que el cilindro principal resulta alimentado por el fluido en la conducción general en tanto que el otro cilindro lo auxilia en los desplazamientos de su émbolo.

Según otro aspecto de la invención y a diferencia de los micro-difusores que, con forma de placas, bandas o esterillas, son habitualmente usados como fuente de inyección de aire en los reactores, se proporcionan microdifusores específicamente diseñados para una agitación más eficiente del medio de cultivo induciendo un esfuerzo de corte reducido no agresivo frente a las células, preferentemente canutos tubulares a ser longitudinalmente dispuestos sobre el fondo de los reactores y provistos de micro-orificios, cortes, seccionamientos o ranuras de tamaño ínfimo y suficientemente adecuado para la transferencia energética. Los canutos pueden ser, incluir o estar formados con una malla micro-porosa.

DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Un ejemplo de realización, no limitativo, de un sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos es mostrado en los dibujos que se acompañan, en los que:

La figura 1 es una vista en alzado que, de manera esquemática, muestra un reactor del sistema;

La figura 2 es una vista en perfil de un reactor en el sistema, en correspondencia con la figura 1;

La figura 3 es una vista en alzado que, de manera esquemática, ilustra una unidad modular de soporte de reactores en el sistema;

La figura 4 es una vista en perfil de la unidad modular de soporte de reactores, en correspondencia con la figura 2;

La figura 5 es una vista en perspectiva que, de manera esquemática, muestra una disposición ordenada sobre el terreno de una pluralidad de alineaciones de unidades modulares de soporte orientadas a la luz solar;

La figura 6 es un esquema que muestra la conducción general de aire y gases y su distribución a distintos reactores adyacentes en un mismo nivel;

La figura 7 es un esquema que muestra la conducción de circulación del cultivo y las entradas y salidas del cultivo en distintos reactores adyacentes en un mismo nivel;

La figura 8 es un esquema que ilustra el funcionamiento del inyector de gases.

La figura 9 muestra esquemáticamente el ajuste de hermeticidad en la porción inferior de un reservorio.

REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION

En una forma de realización particularmente preferida, el sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos comprende una serie de unidades productivas materializadas, según el ejemplo propuesto e ilustrado en las figuras 1 y 2, con reactores de placas (1, 2 y 3) cuya superficie media de exposición a la luz ha sido escogida de un rango comprendido entre 0,5 y 1 metro cuadrados y que ofrecen pasos ópticos de diferente magnitud según mejor ilustra y completa la figura 5: por ejemplo, los reactores (1) son escogidos con un paso óptico entre 10 y 25 mm constituyendo las unidades productivas con cuya utilización se pretende lograr una alta productividad en el desarrollo vegetativo del cultivo; los reactores (2) han sido seleccionados con un paso óptico de entre 30 a 40 mm para constituir las unidades productivas a ser utilizadas en la concentración del cultivo; y los reactores (3), escogidos con un paso óptico de entre 50 y 100 mm al objeto de constituir las unidades productivas que deban almacenar el cultivo desarrollado previo a su recogida.

Particularmente en el ejemplo, los reactores (1, 2 y 3) están construidos con un cuerpo de metacrilato (4), aunque también puede ser construido con cualquier otro material rígido o flexible elegido entre policarbonatos, polietilenos,

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fibra de vidrio u otro material que asegure la optimización de la luminosidad a su través. En el ejemplo, el cuerpo (4) se ha preferido de configuración tubular vertical prismática frente a otras configuraciones, tal como la cilíndrica, que igualmente podrían ser usadas. Las bases superior e inferior del cuerpo (4) son respectivamente cerradas por una tapa superior (5) y por una tapa inferior (6) que previenen ranuras perimetrales internas para adaptación, con la interposición de juntas de hermeticidad, de los bordes extremos del cuerpo (4). La tapa superior (5) de cada unidad productiva prevé aliviaderos de presión o válvulas de seguridad (7) y una entrada para el cultivo conectable a un conducto (8) de entrada de cultivo, señalado en la figura 7, además de ganchos (9) para facilitar su colgado individual y permitir su oscilación pendular en el soporte al que vaya a ser destinada, por ejemplo al ser impulsadas por el viento o ante cualquier otra eventualidad. La tapa inferior (6) presenta entradas (10) para los gases en dos de sus laterales los cuales comunican los extremos de un micro-difusor (11), dotado con aberturas, ranuras u orificios para la mejor distribución de los gases en el interior del cuerpo (4), además de prever un paso inferior (12) para la salida del cultivo y señalado en la figura 7. Ambas tapas (5) y (6) se relacionan entre sí por espárragos (13) y tuercas

(14) para una mejor aproximación entre ambas a fin de lograr una adecuada hermeticidad de su contenido. Separadores (15), por ejemplo espárragos regulados por tuercas, mantienen convenientemente distanciadas las paredes evitando depresiones o abombamientos en las mismas.

Acorde con la realización propuesta y como mejor muestran las figuras 3 y 4, los pares de unidades productivas (1, 1), (2, 2) y (3, 3) están organizados, en distintos niveles y en orden creciente de paso óptico, colgados en una misma unidad de soporte vertical de manera que las unidades productivas (3, 3) de mayor paso óptico se observan en la zona más alta de la unidad de soporte, decreciendo el paso óptico de las unidades a medida que son dispuestas más próximas a la base de la misma. La unidad de soporte, mostrada en el ejemplo, es un puntal (16) que está provisto de travesaños o brazos (17), transversalmente dispuestos a intervalos regulares a lo largo del mismo y que es anclado al suelo, por ejemplo, mediante anclajes de apriete para el hormigón (no representados) que lo sujetan por su base y así es mantenido en posición vertical con alturas que pueden alcanzar los 12 metros. Tras el posicionamiento y anclaje del puntal (16), las unidades productivas a ser dispuestas en los distintos niveles son colgadas por sus ganchos (9), una a una, en los correspondientes travesaños (17), por ejemplo comenzando en el nivel superior con la incorporación de las unidades (3), siguiendo al nivel inmediato con las unidades (2) y finalizando en el inferior con la incorporación de las unidades (1) a fin de formar una unidad modular de soporte. Posteriormente y en su caso, se procede a incorporar los diferentes sistemas de control del cultivo y de los adicionales y necesarios para completar el sistema.

Una solución alternativa de instalación del sistema (no representada) consiste en disponer un número variable de unidades de soporte o puntales (16) equidistantes entre sí e intercalar entre ellos las unidades productivas, soportadas mediante apoyos que permitan su oscilación libre e independiente, de manera que cada nivel resulte ocupado por una única unidad productiva de diferente paso óptico.

Como mejor se observa en la figura 5, la disposición ordenada sobre el terreno de una pluralidad de alineaciones de unidades modulares de soporte orientadas a la luz solar permite soportar, instalada según lo dicho, vientos superiores a los 120 km/h, dado que las unidades productivas no ofrecen resistencia al viento sino que pueden oscilar siguiendo la fuerza del viento. Tales agrupaciones modulares evitan que la acción de los movimientos sísmicos hasta 7 u 8 grados en la escala de Richter o la acción de otros fenómenos geológicos, atmosféricos, u otros, provoque el desajuste o la rotura de las unidades y de su producción.

El esquema representado en la figura 6 ilustra la conducción general (18) de aire comprimido y gases en su distribución a una pluralidad de reactores de igual paso óptico (1), (2) ó (3) situados a un mismo nivel en una alineación de unidades modulares de soporte, mostrando los órganos de apertura y cierre, llaves de paso, válvulas o electroválvulas (19) que la conectan con las conducciones auxiliares (20) que aseguran el paso del fluido al interior de cada reactor a través de las entradas (10) en las correspondientes tapas inferiores (6) y cuyo exceso saldrá al exterior a través de los aliviaderos (7).

De semejante manera se observa, ilustrando el esquema representado en la figura 7, la línea general (21) de recirculación del cultivo y su distribución en una pluralidad de reactores de igual paso óptico (1), (2) ó (3) situados a un mismo nivel en una alineación de unidades modulares de soporte, mostrando las llaves de paso, válvulas o electroválvulas (22) que la conectan con los reactores, superiormente para la entrada del cultivo e inferiormente para su salida por gravedad a través del conducto de purga o desvío (23) en que finaliza la línea de descarga (24) y auxiliada la recirculación mediante la bomba (25) u otro impulsor convencional.

En un modo de realización particularmente útil de sometimiento del cultivo a presiones que oscilan entre los 0,2 bares y los 2 bares en los reactores planos o semicirculares hasta aproximarse a los 4 bares en los reactores cilíndricos, el esquema representado en la figura 8 ilustra el inyector de gases previsto en el sistema preconizado por la invención, mostrando al cilindro neumático de absorción e impulsión de gases (26) conectado mediante (27) al cilindro neumático auxiliar (28) impulsor del cilindro neumático principal (26) y a la entrada de gases (18) mediante válvulas anti-retorno (29) que controlan la apertura o cierre en función del diferencial de presiones existente en ambos lados del circuito. Preferentemente, el cilindro neumático auxiliar (28) es accionado por la electroválvula (30) de cinco vías con centros abiertos comandada por un pulsador o por un medidor de gases por sonda y regulado por autómata, Un medidor de caudal (31) determina el volumen de gas que es inyectado a los reactores, un

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manorreductor (32) regula la presión en la inyección y una llave de paso (33) intercalada entre el manorreductor (32) y la válvula anti-retorno (29) controla la salida de gases.

Observando la figura 9 se aprecia la disposición de los extremos de los tubos (34) y (35) en el fondo (38) de las

5 ranuras (37) previstas concéntricas en la tapa inferior (36) y en coincidencia diametral con los tubos, Una pluralidad de orificios (39) ciegos y roscados están distribuidos en las regiones periféricas exterior e interior de la tapa (36), próximas a las ranuras (37). Las ranuras (37) incluyen una superficie oblicua (40), que se extiende con inclinación positiva desde el exterior y se prolonga en un corto tramo vertical que deviene en un tramo horizontal (41) de apoyo para la junta (42) y desciende verticalmente, aproximándose a la superficie vertical (43), a la que se adapta la

10 periferia del tubo inmediato (34 ó 35), hasta el fondo (38) de las ranuras, configurando junto a la superficie vertical

(43)

la acanaladura de adaptación de la embocadura del tubo (34 ó 35). Un primer (44) y un segundo (45) aros de empuje, de mayor diámetro el primero que el segundo, se aprecian enfrentados a las juntas (42) a las que presionarán y deformarán contra las superficies de apoyo (41) en las ranuras (37) de la tapa (36). Los aros (44) y

(45)

incorporan una faja anular (46) con orificios (47) para el paso de los tornillos a ser roscados en los orificios (39)

15 próximos a las ranuras (37) e incluyen un reborde (48), apreciable en el dintorno del aro (44) y en el contorno del aro (45), cuya corona (49) aprieta y expande la respectiva junta tórica (42) que oprime. El reborde (48) presenta una superficie (50) paralela al eje del plano de empuje en la proximidad del tubo (34) ó (35) a sujetar y una segunda superficie (51) oblicua al eje de empuje en correspondencia con la superficie (40) en la ranura (37) en la que el tubo

(34) ó (35) debe quedar adaptado. Los ajustes de hermeticidad descritos deben ser igualmente considerados con 20 respecto a la porción superior (no representada) de la columna de cultivo prevista como reservorio en el sistema.

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Claims (9)

1. REIVINDICACIONES

   1.

   Un sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos, que incluye reactores (1, 2, 3) con diferentes volumetrías conteniendo un medio de cultivo para procurar el crecimiento de al menos un microorganismo contenido en dicho medio de cultivo, una conducción (21) del cultivo en el sistema y una conducción (18) independiente de inyección de gases, caracterizado porque comprende una pluralidad de unidades de soporte (16) de reactores y cada unidad de soporte (16) de reactores es proporcionada con pares de reactores (1,1), (2,2), (3,3) incorporados a un mismo nivel en la unidad de soporte (16) y los pares de reactores (1,1), (2,2), (3,3) previstos a distintos niveles en las unidades de soporte (16).

2. 2.

   Un sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos, según reivindicación 1, caracterizado porque los pares de reactores (1,1), (2,2), (3,3) dispuestos a un mismo nivel en las unidades de soporte (16) se proporcionan con igual paso óptico, siendo crecientes las magnitudes de paso óptico de los pares de reactores (1,1), (2,2), (3,3) en correspondencia con la situación ascendente de los diferentes niveles en la unidad de soporte (16), de mejor exposición a la luz natural.

3. 3.

   Un sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque los reactores (1, 2, 3) están montados suspendidos en cada unidad de soporte (16) para su libre oscilación.

4. 4.

   Un sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los reactores (1,1), (2,2), (3,3) montados a un mismo nivel en las unidades de soporte (16) se relacionan entre sí mediante al menos una conducción (18), (21) común a todos ellos.

5. 5.

   Un sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un inyector de gases automatizado que incluye un cilindro neumático principal (26) para la absorción e impulsión de los gases en la línea general y conectado un cilindro neumático auxiliar (28) que mueve a dicho cilindro principal (26) para reducir la presión en la conducción (18) de gases.

6. 6.

   Un sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada uno de los reactores incluye un elemento difusor de aire, configurado como tubo (11) con ranuras y susceptible de ser recubierto por una malla microporosa, que se extiende longitudinal sobre el fondo de los reactores (1, 2, 3).

7. 7.

   Un sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones anteriores, en el que los ajustes de hermeticidad entre los extremos superiores o inferiores de los tubos concéntricos (34) y (35) que constituyen los cuerpos de los reservorios en el sistema y las ranuras (37) concéntricas que se extienden separadas entre sí en las tapas (36) que cierran superior e inferiormente los tubos (34) y (35), incluyen aros de empuje (44) y (45) formados con una faja anular (46) de fijación a la tapa (36) y un reborde de empuje (48) que los caracteriza y provee una primera superficie (50) paralela al plano de empuje y una segunda superficie (51) oblicua al mismo, en correspondencia de deslizamiento y acoplamiento con las respectivas superficies, vertical (43) e inclinada (40), proporcionadas en dichas ranuras (37), que facilita su incidencia contra la junta (42) a presionar.

   OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

   N.º solicitud: 201330201

   ESPAÑA

   Fecha de presentación de la solicitud: 15.02.2013

   Fecha de prioridad:

   INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

   51 Int. Cl. : C12M1/00 (2006.01)

   DOCUMENTOS RELEVANTES

   Categoría

   56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas

   X

   WO 2007098150 A2 (UNIV ARIZONA STATE et al.) 30.08.2007, todo el documento. 1-4

   A

   5-7

   A

   WO 2006137808 A1 (UNIV NANYANG et al.) 28.12.2006, todo el documento. 1-7

   A

   US 2008311649 A1 (CLOUD GEORGE BENJAMIN et al.) 18.12.2008, todo el documento. 1-7

   A

   US 2011027875 A1 (CATHCART PAUL) 03.02.2011, todo el documento. 1-7

   A

   WO 2011159844 A2 (CHOU DAVID SHIH-WEI) 22.12.2011, todo el documento. 1-7

   A

   HU Q et al., "Combined effects of light intensity, light-path and culture density on output rate of Spirulina platensis (Cyanobacteria)" , European Journal of Phycology (1998), vol. 33, pág. 165-171, todo el documento. 1-7

   Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud

   El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:

   Fecha de realización del informe 24.05.2013

   Examinador M. Hernández Cuéllar Página 1/5

   INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

   Nº de solicitud: 201330201

   Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) C12M Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de

   búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC

   Informe del Estado de la Técnica Página 2/5

   OPINIÓN ESCRITA

   Nº de solicitud: 201330201

   Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 24.05.2013

   Declaración

   Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)

   Reivindicaciones Reivindicaciones 1-7 SI NO

   Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)

   Reivindicaciones Reivindicaciones 5-7 1-4 SI NO

   Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).

   Base de la Opinión.-

   La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

   Informe del Estado de la Técnica Página 3/5

   OPINIÓN ESCRITA

   Nº de solicitud: 201330201

   1. Documentos considerados.-

   A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

   Documento

   Número Publicación o Identificación Fecha Publicación

   D01

   WO 2007098150 A2 (UNIV ARIZONA STATE et al.) 30.08.2007

   D02

   WO 2006137808 A1 (UNIV NANYANG et al.) 28.12.2006

   D03

   US 2008311649 A1 (CLOUD GEORGE BENJAMIN et al.) 18.12.2008

   D04

   US 2011027875 A1 (CATHCART PAUL) 03.02.2011

8. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración

   La invención se refiere a un sistema con reactores de paso óptico diferenciado que ha sido diseñado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos.El sistema incluye reactores (1, 2, 3) con diferentes volumetrías conteniendo un medio de cultivo y suspendidos por pares (1,1), (2,2), (3,3) en unidades de soporte (16). Los reactores de un mismo par (1,1), (2,2) ó (3,3) con igual paso óptico y previstos a un mismo nivel. Cada par de reactores situado a nivel distinto en la unidad de soporte (16) y creciente el paso óptico en relación al ascenso del nivel. Los pares de reactores (1,1), (2,2), (3,3) a un mismo nivel en las unidades de soporte (16) están comunicados por una conducción (18), (21). También incluye un inyector de gases automatizado, un difusor y reservorios herméticos. El documento D01 describe un fotobiorreactor que comprende un recipiente de retención de fluido con dos paredes laterales opuestas que tienen varias secciones separadas en comunicación fluida entre sí, en la que al menos una pared lateral es transparente; puntales de apoyo para conectar las secciones separadas de paredes laterales del recipiente; al menos un puerto de entrada, al menos un puerto de salida y un sistema de aireación, en comunicación de fluido con el recipiente, y un sistema de control de temperatura conectado al recipiente, para controlar la temperatura de un fluido contenido en el recipiente. El fotobiorreactor además comprende al menos un deflector conectado a las paredes laterales del recipiente, para formar una barrera y para separar parcialmente el contenedor en varios compartimentos; una salida de drenaje en comunicación de fluido con el recipiente, y un elemento para inclinar el fotobiorreactor. El fotobiorreactor comprende, además, sistemas para el control de pH del cultivo, los niveles de nitrato / fosfato, el nivel de oxígeno y el nivel de carbono. El fotobiorreactor descrito constituye la unidad básica del sistema de biorreactores. Tal y como se menciona en la página 9 la distancia entre los lados interiores de las dos paredes laterales opuestas es el paso óptico, que afecta a la concentración de algas sostenible, la eficiencia fotosintética y la productividad de la biomasa. El paso óptico puede ser de entre aproximadamente 5 milímetros y 40 centímetros, preferiblemente entre 100 milímetros y 30 centímetros, más preferentemente entre 50 milímetros y 20 centímetros, aún más preferiblemente entre 1 centímetro y 15 centímetros, y lo más preferiblemente entre 2 centímetros y 10 centímetros. el paso óptico óptimo para una aplicación dada dependerá, al menos en parte, de factores que incluyen las especies específicas de algas / cepas para ser cultivadas y / o el producto específico deseado / s a ser producido. Como se indica en la página 16 también se pueden agrupar varias unidades del fotobiorreactor descrito anteriormente con distinto paso óptico y formar “módulos de fotobiorreactor”. De igual forma se pueden agrupar varios “módulos de fotobiorreactor” con iguales o diferentes pasos ópticos y formar un “grupo de fotobiorreactores”. En la figura 13 se indica que los reactores pueden estar al mismo nivel o diferentes niveles y en la figura 14 se indica que en las agrupaciones de reactores las magnitudes de paso óptico pueden ser crecientes o decrecientes.

   1.-NOVEDAD Ninguno de los documentos citados en el informe sobre el estado de la técnica describe un sistema de fotobiorreactores igual al reivindicado en la presente solicitud. En consecuencia, en opinión de esta Oficina, las reivindicaciones 1-7 cumplen el requisito de novedad recogido en el Art. 6.1 LP 11/1986
9. 2.-ACTIVIDAD INVENTIVA. A la vista del sistema de fotobiorreactores descrito en D01, la diferencia con el sistema reivindicado en la presente solicitud consiste fundamentalmente en la configuración de los módulos. En este sentido, resulta obvio que el efecto técnico de la invención correspondiente a las reivindicaciones 1-4 no se puede atribuir a la configuración de los módulos si no al uso de fotobiorreactores con diferentes magnitudes de paso óptico que ya se encuentran descritos en D01. La utilización de fotobiorreactores con diferentes magnitudes de paso óptico para estimular el crecimiento vegetativo y la producción de biomasa a gran escala técnica resultaría obvia para un experto en la materia a partir de la información divulgada en D01. En consecuencia, en opinión de esta Oficina las reivindicaciones 1-3 no cumplen el requisito de actividad inventiva establecido en el Art 8.1 LP 11/1986.

   Informe del Estado de la Técnica Página 4/5

   OPINIÓN ESCRITA

   Nº de solicitud: 201330201

   El problema técnico subyacente correspondiente a las reivindicaciones 5-6 está relacionado con el sistema de aireación de los fotobiorreactores. En la presente solicitud este sistema está constituido en primer lugar por un inyector de gases automatizado que incluye un cilindro neumático principal (26) para la absorción e impulsión de los gases en la línea general y conectado un cilindro neumático auxiliar (28) que mueve a dicho cilindro principal (26) para reducir la presión en la conducción (18) de gases. Este inyector se complementa con un elemento difusor de aire, configurado como tubo (11) con ranuras y susceptible de ser recubierto por una malla microporosa, que se extiende longitudinal sobre el fondo de los reactores (1, 2, 3). El sistema de aireación es un elemento técnico común a todos los sistemas de biorreactores. Los documentos D02-D04 citados a modo de ejemplo, describen el uso de inyectores de CO2 y difusores. No obstante, a partir de la información técnica divulgada en dichos documentos no se puede deducir de forma obvia que el uso del inyector de la reivindicación 5 confiera permita reducir las presiones desde los 0,2 Kg/cm2 y tolerar flujos de un litro/minuto. En consecuencia, en opinión de esta Oficina las reivindicaciones 5-7 cumplen con el requisito de actividad inventiva establecido en el Art 8.1 LP 11/1986.

   Informe del Estado de la Técnica Página 5/5