ES2451579A1

ES2451579A1 - Sistema de carbonatación para cultivo de microalgas en reactores abiertos

Info

Publication number: ES2451579A1
Application number: ES201231485A
Authority: ES
Inventors: Enrique Lara Corona; Francisco Gabriel Acien Fernández; Ignacio DE GODOS CRESPO
Original assignee: Hidrotec Tecnologia Del Agua S L; Hidrotec Tecnologia Del Agua Sl
Current assignee: FCC Aqualia SA
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2014-03-27
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: EP2712917A1; EP2712917B1; ES2451579B1

Abstract

Sistema de carbonatación para cultivo de microalgas en reactores abiertos. La presente invención se refiere a un sistema de carbonatación (suministro de CO2) para cultivo de microalgas en un reactor abierto, especialmente del tipo laguna agitada (raceways o high rate alge pond -HRAP-), que comprende un canal de flujo en el que se cultivan las microalgas y al menos un foso sin tabique deflector ubicado en el fondo del canal, caracterizado porque el foso tiene una anchura equivalente al ancho del canal de flujo y un largo comprendido entre la mitad y el doble del ancho del canal; y porque el sistema comprende al menos un dispositivo inyector del gas ubicado en la base del foso, junto a la pared contraria a la dirección de entrada de la corriente de agua en la base (fondo) del foso, de tal forma que la cara superior del dispositivo se encuentra a una distancia comprendida entre 0.5 y 1.5 m del fondo del canal de flujo. Asimismo, es objeto de la presente invención el método para suministrar CO2 en el reactor de tipo abierto, mediante el sistema aquí descrito y las diferentes aplicaciones del sistema.

Description

SISTEMA DE CARBONATACIÓN PARA CULTIVO DE MICROALGAS EN REACTORES ABIERTOS

5 Campo de la invención

La presente invención se engloba dentro del campo de la producción de microalgas, ya sea para el uso posterior de las mismas como en procesos de depuración de efluentes líquidos o gaseosos mediante su cultivo. En concreto la invención se enmarca en el área de los sistemas de carbonatación o aporte de CO2 para la

10 producción de microalgas en reactores abiertos.

Estado de la técnica

Las microalgas son microorganismos de gran utilidad ya que presentan aplicaciones beneficiosas en áreas tan

15 diferentes como el tratamiento de aguas residuales, la producción de biocombustibles, la alimentación humana y animal, la reducción de gases de efecto invernadero, o la obtención de productos químicos de alto valor (Pulz y Gross, 2004). Los cultivos de microalgas pueden alcanzar productividades muy superiores a los cultivos de plantas superiores, dando como resultado una mayor fijación de CO2 y una mayor cantidad de biomasa producida. Además, los cultivos de microalgas tienen menores necesidades de agua y no compiten con los

20 cultivos tradicionales, puesto que no necesitan terrenos fértiles y pueden usar aguas con bajos parámetros de calidad, como aguas residuales y salmueras. En el caso del tratamiento de aguas residuales los cultivos de microalgas permiten reducir el consumo de energía de los tradicionales sistemas de fangos activos, además de suponer un mayor aprovechamiento de los nutrientes contenidos en el agua residual mediante su transformación en biomasa, evitando así su vertido y problemas medioambientales derivados tales como eutrofización, etc.

25 (Muñoz y Guieysse, 2006).

Dentro de los sistemas de producción de microalgas existen principalmente dos clases diferenciadas, sistemas cerrados y sistemas abiertos. Los sistemas cerrados se caracterizan por aislar el fluido del ambiente exterior y estar menos expuestos a sus perturbaciones, mientras que los sistemas abiertos se caracterizan por tener una 30 mayor interacción o exposición con el ambiente y depender en mayor medida de las condiciones del mismo. Los sistemas abiertos (Oswald y Golueke, 1960) son los que han tenido un mayor éxito a nivel industrial por su menor coste aunque su uso se ha limitado a determinadas especies extremófilas por sus problemas de contaminación. Sin embargo, en la aplicación de tratamiento de aguas residuales, el control de la especie en cultivo no es tan determinante por lo que este tipo de reactores ha sido el más utilizado. Estos reactores abiertos

35 se conocen como canales de oxidación o HRAP por las siglas en ingles de High Rate Algae Pond. Este tipo de reactores, aunque se ha descrito para su empleo en tratamiento de aguas residuales con microalgas, no ha sido adecuadamente optimizados incurriendo en numerosas ocasiones en la limitación por nutrientes o en el exceso de acumulación de oxígeno, factores que limitan su rendimiento.

40 Uno de los factores más limitantes en el cultivo de microalgas es la disponibilidad de carbono. Se asume que las microalgas necesitan 2 kg de CO2 por cada kilo de biomasa producida, por lo que es necesario aportarle todo este CO2 con el fin de evitar que los cultivos se encuentren limitados por este elemento, mediante métodos de carbonatación. Este gas puede aportarse como CO2 puro o como una mezcla de gases. Este último caso sería el de los gases de combustión, los cuales presentan contenidos variables de CO2 entre el 4% y 15% en función de

45 su procedencia. La inyección continua de gases de combustión en cultivos de microalgas hace que estos se desarrollen en condiciones ácidas disminuyendo su rendimiento y obteniéndose bajas eficiencias de uso del CO2, entre el 8.1% (Zhang, y col., 2001) y el 4.2% (Hu, y col., 1998). La inyección a demanda sin embargo permite incrementar esta eficiencia de uso hasta el 32.8% en reactores abiertos (Doucha, y col., 2005) y el 50% en reactores cerrados (Camacho Rubio, y col., 1999). Para aumentar dicha eficiencia de uso es necesario diseñar y

50 operar reactores optimizados con suministro de CO2 que no supongan una re-emisión de dicho CO2 a la atmósfera (Camacho Rubio, y col., 1999). En los reactores abiertos habitualmente los gases son burbujeados en la parte baja del reactor, lo que supone que sólo un pequeño porcentaje del gas es utilizado eficientemente, siendo el resto disipado a la atmósfera. Para optimizar la eficiencia de uso del CO2 se ha propuesto la instalación de fosos, de mayor profundidad que el reactor, en los que se burbujea el gas (Figura 1, Estado de la técnica).

55 Para maximizar la eficiencia de uso del CO2 los fosos se equipan con un tabique deflector que obliga al agua a descender, encontrándose en contracorriente el flujo de CO2.

El diseño de estos fosos se ha justificado en base a:

60 • Obtener un ratio L/G (líquido/gas) alto. Este ratio se considera fundamental para conseguir una eficiencia elevada de transferencia de CO2 en agua. Con la ayuda del deflector vertical se consigue vehicular todo el caudal L y mezclarlo efectivamente con el caudal de gas G. El caudal de líquido L suele ser habitualmente muy elevado gracias al movimiento horizontal producido por el sistema de mezcla, como puede ser por ejemplo un sistema Paddle wheel, por lo que este sistema es eficaz en

65 cuanto a la obtención de un ratio adecuado a la transferencia.

• Conseguir un tiempo de contacto elevado agua-burbuja: Para ello lo habitual ha sido el diseño contracorriente, como el representado en la Figura 1 que ilustra el Estado de la técnica, de forma que la corriente de agua descendente reduce la velocidad ascensional de la burbuja de aire y facilitar así su disolución. Mediante esta técnica se pretende al mismo tiempo reducir la altura del foso y evitar

5 costosas obras civiles. Es decir, el tiempo de permanencia de la burbuja en el agua es aumentado por la retención que provoca el agua. Con esta estrategia se diseñaban pozos con burbujas de tamaño medio 3-5 mm, con dispositivos de inyección no optimizados.

• Conseguir una altura suficiente que aumente la transferencia de CO2. Dado que la altura del líquido en los HRAP es de tan sólo 30 cm, insuficiente para una eficiencia en transferencia elevada, se han

10 considerado necesarias alturas entre 1.3 y 2 m de altura para obtener transferencias adecuadas, teniendo en cuenta los dispositivos de inyección habitualmente utilizados.

Sin embargo, este diseño presenta una serie de inconvenientes importantes:

15 • alturas de foso elevadas, próximas a los 2 m, conllevan un aumento del coste de obra civil y problemas relativos a la operación;

•: el tabique deflector representa un obstáculo en el flujo y crea una pérdida de carga elevada y por tanto un mayor consumo energético y velocidades de circulación reducidas;

•: el tabique deflector elimina la componente vertical de velocidad (olas) que origina el sistema de

20 agitación. Este componente vertical se considera importante para una elevada productividad de las algas en el reactor, al favorecer la dispersión del medio líquido que está directamente relacionada con la exposición a la luz de las microalgas; y

• dificulta la utilización de gases de combustión en HRAP de gran superficie. Para reducir los costes de instalaciones industriales es importante construir reactores de un tamaño unitario elevado, superior a 25 3000-4000 m2/Ud, reduciendo de esta forma la instalación de tuberías, elementos de control, agitación e inyección de CO2. Poniendo por ejemplo el diseño de un reactor de 10.000 m2 (W=20 m x L=500 m) con un único foso de 10 m de ancho a continuación del sistema de agitación (Figura 2) y una productividad máxima de algas de 4 g/m2/h. Si se inyectan gases de combustión con un contenido de un 10% de CO2 se necesitan caudales de 450 m3/h para cubrir la demanda de CO2 (10 g de CO2/m2/h). En un foso de 30 dimensiones 10x0.3 esto supondría un caudal de 700 l de gases/m de contactor/min y un valor aproximado de 25% de volumen de gas respecto al líquido, valor excesivamente alto para lo habitualmente aceptado para obtener una elevada transferencia gas/líquido (<10%; Sha, 1982). La limitación de la inyección de gases en contracorriente vendría dada por el escaso número de fosos con deflector que se pueden instalar en este tipo de reactores (a mayor número de fosos menor velocidad

35 de circulación). De modo que, según el estado del arte, las instalaciones de gran tamaño disponen de un único foso.

En resumen, la utilización de una corriente de gases de combustión como fuente de CO2 en un foso como los habitualmente utilizados produciría un exceso de caudal de gas por volumen de intercambiador, lo que origina

40 fenómenos de coalescencia de burbujas y disminución de eficiencia en la transferencia de CO2. Para evitar este problema se podría plantear la colocación de más de un foso, pero esto agravaría los problemas de coste, consumo energético y dificulta el movimiento del líquido a lo largo del HRAP debido a la presencia del tabique deflector, por lo que no es una opción válida a nivel industrial.

45 Con el fin de solventar los problemas detectados en el arte previo, el objeto de la presente invención es un sistema optimizado de aporte de CO2 (carbonatación) a cultivos de microalgas contenidos en un reactor abierto, que permite transferir el CO2 que necesitan los cultivos de microalgas para su crecimiento de forma eficiente, utilizando cualquier gas con CO2, ya sea una corriente de CO2 puro o de gases de combustión con contenidos variables de CO2. El dispositivo de aporte de CO2 al reactor abierto, que puede ser especialmente un reactor

50 abierto de laguna agitada de tipo raceway o High Rate Algae Pond, permite aportar de forma controlada el CO2 a los cultivos de microalgas evitando que estos se encuentren limitados en su productividad por deficiencia de fuente de carbono, a la vez que optimiza la producción por permitir mantener estable el pH del medio de cultivo. El dispositivo de aporte de CO2 optimiza así mismo la depuración del gas utilizado como fuente de CO2 ajustando su caudal y el diseño del sistema de suministro para conseguir una elevada depuración del gas, y por

55 tanto elevado aprovechamiento del CO2 aportado, con un mínimo consumo energético. El óptimo rendimiento del sistema se ha conseguido mediante su adecuado diseño (dimensiones y numero de fosos, y burbujeador utilizado) y operación (caudal de líquido y gas).

Descripción general de la invención

60 Para resolver los problemas del actual diseño de las instalaciones con suministro de gas CO2 a cultivos de microalgas, como son los contenidos en reactores abiertos y especialmente los de laguna agitada tipo raceway o HRAP, se plantea en la presente invención el diseño de un sistema nuevo configurado para optimizar dicho aporte y el crecimiento del cultivo.

Así, la invención se refiere a un sistema de carbonatación (suministro de una corriente de gas que contiene CO2) para el cultivo de microalgas en un reactor abierto que comprende: -al menos un canal de flujo (1) por el que discurre una corriente de agua en la que se cultivan las microalgas, provisto de una entrada (2) y una salida (3), y

5 -al menos un foso (4) sin tabique deflector ubicado en el fondo del canal de flujo (1), dicho sistema estando caracterizado por que el foso tiene una anchura equivalente al ancho del canal de flujo y un largo comprendido entre la mitad y el doble del ancho del canal; y por que comprende uno o más dispositivos

(5): de inyección del gas al interior del foso, ubicados en la base del mismo (fondo) junto a la pared (6) contraria a la dirección de entrada de la corriente de agua y a una altura tal que la cara superior del dispositivo de inyección

(5): diste entre 0.5 y 1.5 m, incluidos ambos límites, del fondo de canal de flujo (1), o lo que es lo mismo de la abertura superior del foso (4) (donde éste confluye con el fondo del canal).

Básicamente, el sistema carbonatación o de aporte de CO2 está integrado en un reactor abierto que dispone de un canal de flujo (1) por el que discurre la lámina de agua en la que se cultivan las microalgas y uno o más fosos 15 (4) en el fondo o base de dicho canal (1), con forma y dimensiones como las definidas y menores en tamaño que los habitualmente empleados en este tipo de instalaciones y en los que se alojan los inyectores (5) del gas al interior del foso (4), de tal forma que dichos inyectores (5) se ubican concretamente en la base o fondo del foso

(4) y junto a la pared vertical (6) del foso que se encuentra en el lado contrario al de entrada de la corriente de agua al canal (1). De esta manera, proyectan la corriente de gas que contiene CO2 de abajo (fondo del foso (4)) hacia arriba (canal (1) de agua), provocando la mezcla de ambos fluidos de forma óptima.

El aspecto relevante lo constituye la distancia desde la cara superior del dispositivo (5) de inyección por la que sale el gas al interior del foso (4) hasta el fondo del canal de flujo (1), o lo que es lo mismo, la abertura superior del foso (4) (donde foso y canal de flujo (1) confluyen) ya que es la distancia recorrida por la burbuja de gas, y

25 por tanto es la que define el tiempo de contacto y en consecuencia la transferencia. Esa distancia debe estar entre 0.5 y 1.5 m.

Cuando se afirma que el dispositivo inyector (5) está junto a la pared (6) debe entenderse que está a la distancia suficiente para que se impulse el gas hacia el fondo del canal de flujo (1), es decir en la vertical, de manera adecuada sin que la cercanía a la pared (6) provoque un cambio en la dinámica de flujo del gas que interfiera en la transferencia del mismo en el líquido. En la práctica, dicha proximidad puede estar comprendida de manera preferida entre 50 y 150 mm., incluidos ambos límites.

La distancia del dispositivo de inyección (5) de gas al fondo del foso (4) sólo viene dada por cuestiones

35 constructivas como la geometría del difusor (5), su tamaño, diámetro de tuberías de reparto de gas, la distancia a la que se coloque el difusor (5) del fondo, etc. Teniendo en cuenta dichas cuestiones constructivas, lo más adecuado desde el punto de vista de diseño es que esta distancia del difusor (5) al fondo del foso (4) sea la menor posible, por cuestiones de economía de construcción y porque daría lugar a un volumen “muerto” bajo la agitación producida por el difusor (5), con problemas potenciales de decantación y fermentación de la biomasa algal.

Los reactores abiertos, especialmente los de laguna agitada de tipo raceway o HRAP, consisten en dos o cuatro canales abiertos a la atmósfera, de una superficie entre 100 y 10000 m2 y con una altura de líquido de entre 0.2 y

0.4 m, a través de los cuales el cultivo de microalgas es recirculado mediante sistemas mecánicos como bombas

45 o Paddle wheels. Este tipo de reactores son los más utilizados en el mundo para la producción de microalgas pero presentan deficiencias en cuanto a su capacidad de transferencia de materia, especialmente de CO2.

Debe entenderse que el canal de flujo (1) por donde discurre la corriente de agua en la que se cultivan las microalgas es de diseño convencional, conocido en el campo. Así, presenta un fondo plano, en el que se ubican los fosos (4), y paredes laterales que delimitan el interior del canal, y por tanto el volumen de la corriente de agua.

En la Figura 3 se muestra un esquema ilustrativo del sistema aquí descrito, que no debe considerarse limitante de la misma en todos sus aspectos, únicamente en la configuración esencial descrita (por ejemplo, las longitudes

55 de la figura son orientativas). En este diseño, se puede observar la corriente de líquido L, que discurre por el canal de flujo (1), y que es mezclada con la corriente de gas G sin la ayuda de un deflector. En este diseño básico, la inyección de gas se realiza mediante un difusor (5) situado más cerca de la pared vertical (6) contraria a la dirección de L que de su pared vertical opuesta (7). En concreto el difusor (5) está a una distancia entre 50 y 150 mm de la pared vertical (6) contraria al flujo de líquido L. De esta forma, parte de la corriente L es obligada a descender verticalmente por el foso (4), para ocupar el caudal de bombeo ascendente generado por el gas y favoreciendo la mezcla de L y G. Esta mezcla entre ambas corrientes de líquido y gas se considera esencial para una elevada transferencia de CO2 en el líquido.

El sistema objeto de la invención presenta diversas ventajas frente a otros sistemas conocidos del arte previo, en 65 varios aspectos que están implicados en su diseño y rendimiento:

1. Ausencia de tabique deflector: Al eliminarse el tabique deflector se evitaron los problemas derivados de la colocación del mismo, como mayor consumo de energía y reducción de la exposición de las células a la luz.

2.: Utilización de difusores de burbuja fina como dispositivos inyectores del CO2: el empleo de estos difusores de burbuja fina, de membrana o de cerámica, habitualmente empleados en depuradoras de aguas residuales para la inyección de oxígeno, permitió obtener una eficiencia del 99% en la transferencia de CO2 respecto a otros sistemas de aporte de gas con los que se alcanzan valores máximos del 60%. Además, son muy económicos.

3.: Operación con relaciones L/G elevadas: La relación L/G en el sistema de contacto determina la depuración del gas y por tanto la eficiencia del sistema, por lo que ésta debe ser lo más alta posible para maximizar la depuración del gas, pero sin que se incurra en un exceso de consumo de energía.

15 Los valores más adecuados de relación L/G están entre 10 y 50 cm/sg. Es necesario un contacto adecuado entre las fases, lo que representa uno de los principales retos superados por la presente invención, en concreto habiendo centrado el estudio del diseño del sistema en los siguientes puntos:

• Definición del intervalo de caudales de líquido, L, mínimo por debajo del cual no se obtienen adecuadas disoluciones de gas, y máximo por encima del cual el consumo energético es excesivo. Este intervalo definió el diseño del elemento de mezcla o dispositivo de agitación, como puede ser por ejemplo un Paddle wheel. Para esta configuración que se presenta del sistema objeto de invención el caudal mínimo es importante y superior al que se obtiene con tabique deflector, debido a que la mezcla L/G no es “perfecta”, como en este último caso. Fue

25 necesario por tanto un mayor caudal de líquido para conseguir los mismos rendimientos que con tabique deflector. Se comprobó que el caudal mínimo para conseguir rendimientos de transferencia superiores al 95% se presenta en los intervalos habituales de funcionamiento de los sistemas de agitación, como puede ser Paddle-wheel (> 25 cm/s de velocidad de líquido). Por tanto, el sistema propuesto no presentó una penalización por este efecto. Además, debe tenerse en cuenta que la eliminación del tabique deflector permitió trabajar a mayores velocidades de líquido haciendo uso de una menor cantidad de energía.

• Definición del intervalo de caudales de gas, G, mínimo por debajo del cual el efecto de mezcla con la corriente de líquido fue escasa, y máximo a partir del cual se produjeron fenómenos de coalescencia de burbujas o de incremento de tamaño de burbuja. Estos fenómenos de exceso

35 de caudal provocaron una disminución de la eficiencia de transferencia de CO2.

• La definición del número de fosos necesarios, que en su forma más básica es uno y cuya optimización se realizó en función de la productividad de biomasa deseada y de la capacidad de transferencia de CO2 del foso. Teniendo en cuenta que las necesidades de CO2 son de aproximadamente 2 kg de CO2 por cada 1 kg de biomasa producida, el número de fosos óptimo se obtuvo como el cociente entre el consumo de CO2 y la tasa de transferencia de CO2 en cada foso.

4. Foso de escasa profundidad. La diminución del tamaño del foso respecto a los sistemas conocidos en el campo supone una reducción en el coste de construcción y de obra civil. La altura del foso es menor de

45 los 2 m habitualmente empleados en estos fosos, y se ha reducido hasta un mínimo de 0.5 m, aunque debe ser determinado en cada caso en función del diseño completo del reactor y su tamaño.

5. Número de fosos optimizado. La ausencia de penalización del consumo energético al incrementar el número de fosos por reactor permitió aumentar el número de fosos frente al estado de la técnica anterior. Sin embargo, como se ha dicho, el número de fosos debe ser optimizado en función de la productividad de biomasa o tasa de consumo de CO2 y de la tasa de transferencia de CO2 en el foso, así como su distribución en función del diseño final del reactor y de la productividad alcanzada. Un número de fosos optimizado presenta las siguientes ventajas:

55 • Optimización de la inyección del caudal de gas por metro lineal de foso, para los criterios de transferencia y no supeditado a un caudal máximo de gas a inyectar.

•: Desorción de oxígeno en cada uno de los fosos, con lo que se mantendría un nivel de oxígeno inferior a lo largo del reactor, reduciendo los fenómenos de fotoxidación y fotorespiración y resultando en un incremento de la productividad de los cultivos de microalgas. Este es otro de los criterios a tener en cuenta para el diseño del número de fosos.

•: Variaciones mínimas de pH a lo largo del reactor, sin incrementos excesivos, con lo que se obtendría un mayor rendimiento de los cultivos de algas por estar sometidos a un menor estrés. Este incremento de pH es otro de los criterios para al cálculo del número de fosos.

65 Un segundo objeto de la presente invención consiste en un método para carbonatar (suministrar una corriente de gas que contiene CO2) en un reactor de tipo abierto para el cultivo de microalgas, mediante la aplicación del sistema aquí descrito y que comprende la etapa de inyectar la corriente de gas que contiene el CO2 al interior del foso (4) mediante el dispositivo inyector (5) ubicado en la base del mismo junto a la pared (6) contraria a la entrada de la corriente de agua y a una altura tal que la cara superior de dicho dispositivo (5) dista entre 0.5 y 1.5

5 m del fondo de canal de flujo (1), en un volumen de CO2 comprendido entre 0.008 y 0.025 v/v/min (volumen de CO2/volumen de foso/min) incluidos ambos límites, manteniendo la velocidad de circulación del líquido entre 0.1 y 0.5 m/s incluidos ambos límites, lo que equivale a una relación líquido/gas (L/G) en el foso (4) superior a 10. Cómo se ha comentado, este método, a diferencia de otros sistemas conocidos, consigue que la corriente de líquido L que discurre por el canal de flujo (1) se mezcle con la corriente de gas G sin la ayuda de un deflector, de tal forma que gracias a la ubicación del inyector (5) en el fondo del foso (4) se favorece la mezcla del gas sobre el agua (bombeo del agua debido a la menor densidad conjunta gas-líquido). De esta forma, parte de la corriente L es obligada a descender verticalmente por el foso (4), para ocupar el caudal de bombeo ascendente generado por el gas y favoreciendo la mezcla de L y G.

15 Un tercer objeto de la presente invención está constituido por la aplicación del sistema aquí divulgado para uno de los usos siguientes:

-tratamiento de aguas residuales, con sistemas mixtos microalgas-bacterias; -producción de algas, con fines energéticos y de alimentación; -producción de compuestos de alto valor añadido como antioxidantes, ficobiliproteínas, productos con

actividad biológica; -eliminación de gases de efecto invernadero contenidos en la corriente de gas inyectada como fuente de CO2;y -depuración de gases industriales que contienen CO2 y que se inyectan al sistema, tanto gases de 25 combustión como biogas, mediante absorción de los contaminantes presentes en los mismos, y posterior fijación biológica mediante la producción de microalgas.

Descripción detallada de la invención

En una realización particular de la invención, la corriente de gas de carbonatación es una corriente de CO2 puro. En otra realización preferida, la corriente de gas es una corriente de gases de combustión, es decir, producidos en un proceso de combustión. De manera preferida, en este caso la corriente de gas contiene CO2 en un porcentaje comprendido entre 4% y 20%, más preferentemente entre 8 y 11%, incluidos ambos límites.

35 Preferentemente, el reactor o sistema abierto en el que se cultivan las microalgas es un Canal de Flujo Rápido, también denominado de tipo raceway, o un reactor tipo HRAP. En una realización particular de la invención, el sistema comprende de 2 a 4 canales de flujo.

Preferentemente, el foso (4) tiene una profundidad y un largo comprendidos entre 0.5 y 1.5 m, es decir, la cara superior del dispositivo de inyección (5) se encuentra justo en la base o fondo del foso (4), ya que es la distancia necesaria que debe cumplirse respecto del fondo del canal de flujo (1) para que se dé una difusión adecuada. Más preferiblemente, la profundidad y largo del foso (4) están comprendidos entre 0.5 m. y 1 m., incluidos ambos límites, siendo de 1 metro en el caso más preferido.

45 El número de fosos (4) que comprende el sistema de carbonatación mediante suministro de CO2 se puede ajustar en función del tamaño del reactor. Así, preferentemente, el sistema comprende un número definido de fosos (4) equidistribuidos en la superficie del reactor y que en total permitan satisfacer la demanda de CO2 del cultivo.

En la realización más preferida, el dispositivo inyector (5) de gas es un difusor de burbuja fina, más preferiblemente de membrana o de cerámica. Estos difusores son habitualmente empleados en otros sistemas, como son los de depuración de aguas residuales, y su configuración es conocida en el campo.

El sistema puede incorporar un dispositivo de agitación (8) de agua en el canal (1), que puede ser en el caso 55 más preferido un dispositivo Paddel Wheel.

En la realización más preferida de la invención, que se ilustra en la Figura 5, se optimiza la hidráulica del diseño esencial del sistema, eliminando zonas muertas en el fondo del foso (4) (y evitando así posibles decantaciones del cultivo) y facilitando la salida y entrada del caudal de agua en el reactor, que permite minimizar las pérdidas de carga en el reactor. Para eliminar las zonas muertas y decantaciones de sólidos en el fondo del foso (4), éste se construyó con paredes (6 y 7) inclinadas a ambos lados del difusor (5) entre 45º y 75º con la horizontal, de tal forma que la base del foso (4) presenta una menor longitud con respecto a su parte superior que se encuentra en contacto con el canal (1). El fondo del foso (4) tiene por tanto unas medidas más reducidas que en la realización anterior de la figura 3. En concreto es suficiente con dejar el espacio necesario para la ubicación del difusor (5), 65 entre 200 y 400 mm. Esta forma permitió que los sólidos decantasen hacia la zona en donde se instalan los difusores (5), y se facilitó su mantenimiento en suspensión. Al mismo tiempo estas paredes (6 y 7) inclinadas a

ambos lados de los difusores (5) mejoró la mezcla aportando una cierta componente de flujo vertical tanto de entrada al foso (4) como de salida, respecto al flujo prioritariamente horizontal creado por el paddle wheel (8). Para facilitar la salida y entrada de agua al canal (1), se inyectaron gases a un flujo en el rango de 0.008 a 0.025 v/v/min (volumen de CO2). En una realización preferida, la pared (7) del foso (4) que se encuentra más cerca de

5 la entrada (2) de agua al canal (1) presenta un interior cóncavo (9).

En cuanto al método de suministro de CO2, la relación líquido/gas está comprendida entre 0.1 y 0.5 m/sg (10 y 50 cm/sg), aunque de manera preferida está comprendida entre 20 y 30 cm/sg, incluidos ambos límites.

Descripción de las figuras

Figura 1. Vista transversal de un sistema de carbonatación mediante aporte de CO2 habitualmente utilizado en

reactores abiertos con tabique deflector dentro del reactor (Estado de la técnica).

(1) Canal de flujo 15 (2) Entrada de agua al canal de flujo

(3): Salida de agua del canal de flujo

(4): Foso

(5): Inyector de gas al interior del foso (4)

(6): Pared vertical del foso (4) contraria a la entrada (2) del canal de flujo (1)

(7): Pared vertical del foso (4) opuesta a la pared (6) y más próxima a la entrada (2) del canal de flujo (1)

(10): Tabique deflector

Figura 2. Vista en planta de un reactor abierto tipo raceway con foso de aporte de CO2 (Estado de la técnica).

(1) Canal de flujo 25 (4) Foso

(8) Dispositivo de agitación de flujo

Figura 3. Vista transversal de un ejemplo ilustrativo del sistema de carbonatación mediante aporte de CO2 objeto de la presente invención.

(1): Canal de flujo

(2): Entrada de agua al canal de flujo

(3): Salida de agua del canal de flujo

(4): Foso

(5) Inyector de gas al interior del foso (4) 35 (6) Pared vertical del foso (4) contraria a la entrada (2) del canal de flujo (1)

(7) Pared vertical del foso (4) opuesta a la pared (6) y más próxima a la entrada (2) del canal de flujo (1)

Figura 4. Vista en planta de un ejemplo ilustrativo del diseño propuesto en la presente invención, de tipo reactor raceway con múltiples fosos de aporte de CO2, que se describe en el Ejemplo 1.

(1): Canal de flujo de agua

(4): Primer foso (4’) Segundo foso (4’’) Tercer foso (4’’’) Cuarto foso

45 (5) Dispositivo de agitación Padel Wheel

Figura 5. Vista transversal de un sistema de carbonatación mediante aporte de CO2 optimizado de acuerdo con la presente invención. La pared del foso ubicada en el lado de entrada del caudal de agua al canal presenta forma cóncava, evitando la existencia de zonas muertas y la acumulación de cultivo.

(1): Canal de flujo

(2): Entrada de agua al canal de flujo

(3): Salida de agua del canal de flujo

(4): Foso

(5) Inyector de gas al interior del foso (4) 55 (6) Pared vertical del foso (4) contraria a la entrada (2) del canal de flujo (1)

(7): Pared vertical del foso (4) opuesta a la otra pared vertical (6) y más próxima a la entrada (2) del canal de flujo (1)

(9): Interior cóncavo de la pared (7) del foso (4) próxima a la entrada (2) del canal de flujo (1)

Ejemplo 1: Foso de carbonatación de un sistema de cultivo de microalgas tipo raceway usando gases de combustión de acuerdo con la presente invención.

Se realizaron varias pruebas de carbonatación en un foso (4) como el descrito en las figuras 2 y 3 en un reactor raceway de 100 m2. El foso (4) estaba integrado en el sistema de cultivo, dándose un intercambio continuo entre

65 líquido residente en el foso (4) y el medio de cultivo existente en todo el sistema gracias a la agitación continua que normalmente se aplica a los reactores abiertos de microalgas. La anchura del foso (4) era de 0.6 m y la profundidad de 1 metro, sin tener en cuenta la profundidad del cultivo. La anchura del foso (4) así construido tenía del orden de dos veces la profundidad del cultivo en el raceway (0.3 m) para favorecer el intercambio de líquido en el contactor. La longitud del foso (4) coincidía con la anchura del canal (1) de cultivo, esto es 1 m. Los difusores (5) eran de disco de 270 mm de burbuja fina, construidos con membrana circular de EPDM y a razón

5 de unas 6600 ranuras/difusor. Dichos difusores (5) estaban colocados a unos 10 centímetros de esta última pared (6) y distribuidos a lo ancho del foso (4) para evitar fenómenos de coalescencia de las burbujas. Se colocaron 3 difusores (5) en el fondo del foso (4), por tanto 3 difusores (5) por metro lineal.

Bajo condiciones de operación óptimas, este sistema permitió introducir en el cultivo suficiente CO2 para

10 satisfacer el crecimiento de las microalgas. Experimentalmente se ha comprobado que dichas condiciones se alcanzaron cuando los ratios L/G se mantuvieron en valores entre 10 y 50 cm/sg. El caudal de líquido viene determinado por el sistema de agitación (8), que normalmente se opera a velocidades entre 0.1 y 0.3 m/s (caudal de 20-60 L/s, a una profundidad de 0.2 m) y el caudal de gas vendrá determinado por las condiciones de máxima productividad: por encima de 0.8-1.5 L/m2 min (1-1.6 L/s). La garantía de máxima transferencia (>95%) se

15 conseguirá cuando se opere el intercambiador con flujos dentro de los rangos establecidos y para la configuración descrita en este ejemplo.

En el sistema anteriormente descrito, raceway 100 m2 provisto de un foso (4), se alcanzan rendimientos de transferencia superiores al 95%. A diferencia de los sistemas de carbonatación anteriormente descritos en el 20 estado del arte, en los que se alcanzaban rendimientos inferiores (50-80%, Weissman et al. 1989) y no se validaba dicha eficiencia, en este sistema se comprobó la cantidad de CO2 transferido mediante balances de materia establecidos en ambas fases: eliminación de CO2 de los gases inyectados en el foso (4) y ganancia de CO2 en el líquido en circulación. Además, se validó el sistema mediante balances de materia establecidos en cultivos reales de microalgas. En estos se encontraron elevadas recuperaciones del carbono inyectado como 25 CO2 en forma de biomasa (>90%) y se validaron los balances estequiométricos indicados para este tipo de microorganismos: aproximadamente 2 gramos CO2 por cada gramo de biomasa producida. Este último dato valida el sistema de carbonatación y establece una ventaja respecto a los demás sistemas descritos en la literatura científica en los que la eficiencia de transferencia era simplemente validada en términos de transferencia química sin validación en las condiciones reales de cultivo (Putt et al., 2010). Los cultivos

30 ensayados con este sistema de carbonatación alcanzaron productividades de biomasa cercanas a las máximas descritas para este tipo de sistemas: hasta 22 g m-2 d-1.

Referencias

35 Camacho Rubio F, Acién Fernández FG, Sánchez Pérez JA, García Camacho F, Molina Grima E. 1999. Prediction of dissolved oxygen and carbon dioxide concentration profiles in tubular photobioreactors for microalgal culture. Biotechnology and Bioengineering 62:71-86.

Doucha J, Straka F, Lívanský K. 2005. Utilization of flue gas for cultivation of microalgae (Chlorella sp.) in an outdoor open thin-layer photobioreactor. Journal of Applied Phycology 17:403-412. 40 Hu Q, Kurano N, Kawachi M, Iwasaki I, Miyachi S. 1998. Ultrahigh-cell-density culture of a marine green alga Chlorococcum littorale in a flat-plate photobioreactor. Appl Microbiol Biotechnol 49:655-662. Muñoz R, Guieysse B. 2006. Algal-bacterial processes for the treatment of hazardous contaminants: A review. Water Res 40:2799-2815. Oswald WJ, Golueke CG. 1960. Biological transformation of solar energy. Adv Appl Microbiol 2:223-262. 45 Pulz O, Gross W. 2004. Valuable products from biotechnology of microalgae. Applied Microbiology and Biotechnology 65:635-648. Singh M, Chinnasamy S, Das KC. An efficient system for carbonation of high-rate algae pond water to enhance CO2 mass transfer. Bioresour Technol. 2011 Feb;102(3):3240-5. 2010. Zhang K, Miyachi S, Kurano N. 2001. Photosynthetic performance of a cyanobacterium in a vertical flat-plate 50 photobioreactor for outdoor microalgal production and fixation of CO2. Biotechnology Letters 23:21-26. Shah, Y., Kelkar, B., Delker, W., 1982. Design parameters estimations for bubble. Column reactors. AIChE J. 28 (3), 353–379. Weissmann JC, Tillet, DM, Goebel, RP. 1989. Design and operation of an outdoor microalgae test facility. Final subcontract report. SERI Technical Monitor: W. Bollmeier. U.S Department of Energy.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de carbonatación mediante suministro de una corriente de gas que contiene CO2 para cultivo de microalgas en un reactor de tipo abierto que comprende: 5 -al menos un canal de flujo (1) por el que discurre una corriente de agua en la que se cultivan las microalgas, provisto de una entrada (2) y una salida (3), y

-

al menos un foso (4) sin tabique deflector (10) ubicado en el fondo del canal de flujo (1), estando dicho sistema caracterizado por que el foso (4) tiene una anchura equivalente al ancho del canal de flujo

(1) y un largo comprendido entre la mitad y el doble del ancho del canal (1); y por que comprende al menos un dispositivo (5) inyector del gas al interior del foso (4) ubicado en la base del mismo junto a la pared (6) contraria a la dirección de entrada de la corriente de agua, con una distancia desde la cara superior del dispositivo (5) por la que se inyecta el gas hasta el fondo del canal de flujo (1) comprendida entre 0.5 y 1.5 m incluidos ambos límites.
2.

El sistema según la reivindicación anterior, donde la corriente de gas es una corriente de CO2 puro. 15
3.

El sistema según la reivindicación 1, donde la corriente de gas es una corriente de gases de combustión.
4.

El sistema según la reivindicación 3, donde la corriente de gas contiene CO2 en un porcentaje comprendido entre 4% y 20%, incluidos ambos límites.
5.

El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que es un sistema de tipo Canal de Flujo Rápido o un reactor de tipo High Rate Algae Pond.
6.

El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el foso (4) tiene una profundidad y un 25 largo comprendidos entre 0.5 m. y 1 m., incluidos ambos límites.
7.

El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde el dispositivo (5) inyector se encuentra a una distancia comprendida entre 50 y 150 mm. de la pared (6) contraria a la dirección de entrada de la corriente de agua.
8.

El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde el dispositivo (5) inyector de gas es un difusor de burbuja fina de membrana o cerámica.
9. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que incorpora en el fondo de cada foso (4) 3 35 dispositivos (5) inyectores de gas por metro de anchura de foso.
10.

El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que incorpora un dispositivo de agitación (8) de agua en el canal (1).
11.

El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que presenta un interior cóncavo (9) en la pared (7) del foso (4) que se encuentra más cerca de la entrada (2) de agua al canal (1).
12.

El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, donde las paredes (6, 7) del foso (4) situadas

a ambos lados del dispositivo (5) inyector presentan una inclinación comprendida entre 45º y 75º con respecto a 45 la horizontal.
13. Un método de carbonatación para suministrar una corriente de gas que contiene CO2 al interior de un reactor de tipo abierto para el cultivo de microalgas, mediante la aplicación del sistema descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado por que comprende la etapa de inyectar la corriente de gas que contiene el CO2 al interior del foso (4) mediante el dispositivo (5) inyector ubicado en la base del mismo junto a la pared (6) contraria a la entrada (2) de la corriente de agua y a una altura tal que la cara superior de dicho dispositivo (5) dista entre 0.5 y 1.5 m del fondo de canal de flujo (1), manteniéndose el caudal de gas con un flujo volumétrico de CO2 entre 0.008 y 0.025 v/v/min y la velocidad de circulación de líquido entre 10 y 50 cm/s, hasta alcanzar una relación de caudales líquido/gas superior a 10.
14.

El método de la reivindicación anterior, donde la relación líquido/gas está comprendida entre 20 y 30 cm/sg.
15.

Uso del sistema descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 para el tratamiento de aguas residuales con sistemas mixtos microalgas-bacterias.
16.

Uso del sistema descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 para la producción de algas con fines energéticos y de alimentación, o para la producción de compuestos de alto valor energético.
17. Uso del sistema descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 para depuración de gases 65 industriales mediante absorción de contaminantes presentes en dichos gases y posterior fijación biológica

mediante la producción de microalgas. 9

10

FIG. 1

Longitud

FIG. 2

FIG. 3

FIG. 4FIG. 5

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

N.º solicitud: 201231485

ESPAÑA

Fecha de presentación de la solicitud: 26.09.2012

Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional

DOCUMENTOS RELEVANTES

Categoría

56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas

A

WO 2007068191 A1 (INST PROCESS ENG CAS et al.) 21.06.2007, 1-17

párrafos [0037-0038]; figuras 1,2.

A

WO 2010141559 A2 (COASTAL WATERS BIOTECHNOLOGY GROUP LLC et al.) 09.12.2010, 1-17

párrafos [0084-0099]; figura 5.

A

KETHEESAN B. et al. APPLIED ENERGY, 09.12.2010 Vol.88, N.10, pg. 3370-3376. Figura 1. 1-17

http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.12.034

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 28.06.2013

Examinador J. A. Peces Aguado Página 1/4

INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

Nº de solicitud: 201231485

CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD C12M3/02 (2006.01)

B01D53/62 (2006.01) B01D53/84 (2006.01) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)

C12M, B01D

Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) EPODOC, WPI, XPESP, XPESP2, COMPENDEX, EMBASE BIOSIS

Informe del Estado de la Técnica Página 2/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201231485

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 28.06.2013

Declaración

Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)

Reivindicaciones 1-17 Reivindicaciones SI NO

Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)

Reivindicaciones 1-17 Reivindicaciones 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 3/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201231485

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 2007068191 A1 (INST PROCESS ENG CAS et al.) 21.06.2007

D02

WO 2010141559 A2 (COASTAL WATERS BIOTECHNOLOGY GROUP LLC et al.) 09.12.2010

D03

Ketheesan B. et al. APPLIED ENERGY, 09.12.2010 Vol. 88, N. 10, pg. 3370-3376. Figura 1. http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.12.034
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 solicitud se refiere a un sistema de carbonatación que cuenta con un reactor de tipo abierto al que se suministra CO2 y que cuenta con un foso sin tabique deflector. Las dimensiones del foso están en función de las dimensiones del canal de flujo. El foso incorpora un inyector de gas en su base junto a la pared contraria a la entrada del flujo. La solicitud se refiere asimismo al método de carbonatación con dispositivo antes descrito así como los usos del dispositivo y el método en el tratamiento de aguas residuales, con el fin de cultivar algas con fines energéticos o de alimentación así como para la absorción de contaminantes en gases industriales.

D01 refleja el estado de la técnica al que se refiere la solicitud dado que contempla un reactor abierto donde el flujo del cultivo pasa por el reactor retardado por un deflector. El suministro de CO2 se realiza en el lado ascendente del reactor. Las figuras 1 y 2 ilustran el foso del reactor abierto con un deflector intermedio realizándose la inyección de CO2 en el lado del flujo ascendente del reactor.

D02 se refiere a un reactor abierto que produce una cierta recirculación y permite obtener mejores resultados en el cultivo de micro algas. El reactor, ilustrado en la figura 5, cuenta con un deflector que delimita una zona preferente para la mezcla y posibilita una recirculación del medio de cultivo. Asimismo el reactor comprende unas membranas a ambos lados que evitan que las microalgas salgan del entorno del reactor. En el fondo del reactor o foso se puede inyectar CO2. El deflector al que refiere esta publicación trabaja en el mismo sentido que el dispositivo de la solicitud pero aplica distintos medios.

D03 también refleja el estado de la técnica recogido en la solicitud ya que el reactor abierto ilustrado en la figura 1 cuenta con un deflector que retarda el paso del cultivo por el reactor. El burbujeo de CO2 se realiza en el lado del flujo ascendente del reactor.

Ninguno de los anteriores documentos, considerados los más próximos del estado de la técnica, tomados de uno en uno o en combinación, revelan la invención definida en la solicitud. En consecuencia, se considera que las reivindicaciones 1 a 17 de la solicitud son nuevas y tienen actividad inventiva según los artículos 6 y 8 de la Ley de Patentes.

Informe del Estado de la Técnica Página 4/4