ES2645251T3 - Fotobiorreactor de flujo continuo o discontinuo y procedimiento de uso - Google Patents

Abstract

Fotobiorreactor para cultivo en flujo continuo o semicontinuo de biomasa de fotosíntesis, incluyendo el fotobiorreactor un receptáculo (2) que define una cámara interior (58) que comprende una parte de cámara de cultivo (8) y una parte de cámara de alimentación de gas (60), un sistema de regulación de temperatura (9), un sistema de regulación de flujo (3) que comprende una entidad de mezcla y concentración de cultivo (23) que comprende un dispositivo de propulsión de flujo que dirige la biomasa (47) y un sistema de iluminación (5), comprendiendo la parte de cámara de cultivo una zona de concentración de cultivo (18) y una zona de recogida de cultivo (19), estando el sistema de regulación de temperatura, el sistema de regulación de flujo en la parte de cámara de cultivo, el sistema de iluminación en la zona de concentración de cultivo y el dispositivo de propulsión de flujo que dirige la biomasa generando un flujo vertical de medio de cultivo contenido en el receptáculo de manera que la biomasa se concentra en la zona de concentración de cultivo.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

DESCRIPCION

Fotobiorreactor de flujo continuo o discontinue y procedimiento de uso Campo de la invencion

La presente invencion se refiere a un fotobiorreactor para el cultivo de biomasa, especialmente para la fotosfntesis de biomasa de algas.

Antecedentes de la invencion

En los ultimos diez anos ha emergido en todo el mundo la preocupacion por el aumento en los niveles globales de dioxido de carbono (CO2) en la atmosfera. Los pafses y los gobiernos intentan continuamente poner en marcha marcos reguladores dirigidos a estimular esfuerzos para reducir las emisiones globales de CO2 y/o gases de invernadero equivalentes. Para abordar este problema recientemente se ha explorado el secuestro biologico del carbono, aunque la fotosfntesis es una forma natural de reciclar el carbono. Ademas, el agotamiento mundial de los depositos de combustibles fosiles ha impulsado la investigacion de alternativas a los productos procesados actualmente a partir del petroleo. En algunas aplicaciones en las que se necesitan cantidades elevadas de combustibles a gran distancia de las fuentes de suministro (por ejemplo, bases militares avanzadas o experiencias en campos de exploracion remotos), los costes asociados con los combustibles convencionales son elevados, debido principalmente a los gastos en que se incurre por el suministro de combustible y a la contaminacion asociada debida a los medios de transporte. Por tanto, para reducir estos costes se han investigado alternativas para producir combustibles en el punto de uso, en lugar de tener que transportarlos hasta el lugar deseado. En este esfuerzo se ha identificado a los biocombustibles, como el biodiesel, como una posible alternativa para sustituir el consumo de combustibles fosiles sin aumentar el contenido de CO2 de la atmosfera. Sin embargo, el proceso implicado en la creacion de biocombustible a partir de la biomasa es caro en relacion con el proceso de extraccion y refinado del petroleo.

Diversas estrategias se centran en procedimientos para aumentar la captacion de dioxido de carbono en sistemas biologicos como plantas verdes a traves de la luz solar y la captacion de CO2 mientras la investigacion consegufa optimizar los rendimientos de produccion, la diversificacion y valoracion de los productos de biomasa resultantes de la fotosfntesis. Sin embargo, el desarrollo industrial de estas estrategias se ha visto obstaculizado por numerosas dificultades a la hora de transponer los procedimientos experimentales en soluciones ampliables de escala y/o rentables economicamente. En particular, el control de los principales parametros que afectan a la velocidad de la fotosfntesis, por ejemplo, una temperatura, intensidad y longitud de onda de la luz favorables, y la disponibilidad de nutrientes como dioxido de carbono se ha demostrado delicado en aplicaciones en sistemas cerrados (por ejemplo, fotobiorreactores), mientras que los estanques abiertos para el crecimiento de biomasa adolecen de riesgos de contaminacion y muestran altos costes operativos.

Entre los microorganismos fototroficos, las microalgas figuran entre los organismos mas eficientes para convertir la energfa solar usando dioxido de carbono como nutriente de crecimiento y constituyen un eficiente productor de oxfgeno y biomasa. Componentes valiosos como los hidratos de carbono, los azucares, las protefnas y las grasas pueden recogerse de la biomasa y convertirse directa o indirectamente en productos de alto valor anadido como productos farmaceuticos, nutraceuticos, productos de cosmetica, productos alimentarios, sustancias qufmicas finas sintetizadas normalmente en plantas qufmicas o suministros de energfa como metano o, de forma mas interesante, biodiesel y otros combustibles usados en turbinas y/o motores de ciclo termico para generar movimiento, esencialmente en el transporte.

Se sabe que la productividad de las microalgas esta limitada por tres factores principales: disponibilidad de luz y nutrientes, y temperatura. Historicamente, la mayorfa de los esfuerzos se han invertido en desarrollar los nutrientes optimos para microalgas especfficas, especialmente por saturacion del sistema de fotosfntesis con CO2. Las plantas de cultivo de microalgas con base terrestre (por ejemplo, estanques), a la vez que muestran cierta eficacia en la captura de CO2, estan limitadas por el espacio de tierra disponible, los suministros de agua (debido principalmente a la evaporacion), la contaminacion externa (por ejemplo, otras especies, deyecciones de aves), la productividad (no funcionan de noche) y los costes asociados con el procesamiento de inmensas cantidades de agua. Las condiciones optimas de temperatura para una produccion eficiente de biomasa suelen seleccionarse de acuerdo con las condiciones climaticas que prevalecen en un lugar dado. Aun asf, en dichos lugares, las temperaturas invernales y nocturnas, asf como las de primera hora de la manana, plantean serias limitaciones a las tasas de crecimiento.

Ademas, la exposicion UV del cultivo de microalgas en plantas de produccion en exterior produce la oxidacion de las microalgas en la superficie del agua. Los intentos por resolver estos problemas condujeron a la creacion de estanques o canales superficiales. Sin embargo, estos enfoques de aguas superficiales generan una alta evaporacion y depositos salinos, lo que tambien reduce la eficacia del crecimiento continuo en el exterior. En conjunto, el tiempo meteorologico, los ciclos diurnos, la invasion por especies oportunistas y las contaminaciones externas agravan aun mas las dificultades del cultivo en masa de masa en lugares al aire libre.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Los fotobiorreactores (FBR) para cultivo de biomasa de fotosfntesis proporcionan una infraestructura compacta disenada para abordar los problemas anteriores. El aumento de escala de los fotobiorreactores para conseguir una produccion viable comercialmente de productos de algas se ve obstaculizado por la limitacion de la iluminacion disponible, tanto en terminos de suministro y distribucion de luz como de gasto de energfa. Por ejemplo, los procedimientos actuales de cultivo en masa de algas marinas incluyen cilindros translucidos de fibra de vidrio, bolsas de polietileno, tanques cilfndricos y depositos bajo iluminacion artificial o iluminacion natural en invernaderos. Durante el proceso de crecimiento de las microalgas los organismos se multiplican y aumenta la densidad del cultivo, y la luz termina por no poder penetrar mas alla de unos centfmetros de profundidad por debajo de la superficie del cultivo de algas con lo que se reduce la productividad por volumen del sistema.

La patente de EE.UU. n° 3.520.081 describe un deposito rotatorio que mejora el contacto entre las microalgas y la luz con el fin de acelerar el crecimiento de las microalgas. Si bien dichos depositos rotatorios ofrecen algunos beneficios, la imposibilidad practica de la escala se hace evidente cuando se abordan sistemas a muy gran escala, por ejemplo, sistemas de varios millones de litros. La patente de EE.UU. n° 6.579.714 describe un aparato de cultivo de microalgas y un procedimiento que usa un aparato de crecimiento que tiene paredes interiores y exteriores separadas que tienen forma de cupula, conica o cilfndrica. La luz puede pasar a traves de las paredes al espacio entre las cuales se cultivan las algas. La patente de EE.UU. n° 5.958.761 describe un biorreactor tubular que incluye un receptaculo tubular que rodea a una envoltura tubular hecha de un material translucido y que define un espacio intermedio que se llenara con un fluido de fndice de refraccion selectivo y la potencia de concentracion de radiacion en el reactor se controla modificando el fndice de refraccion del fluido. El documento US-2009/0.029.445 describe un reactor de crecimiento biologico que comprende un mezclador, una camara de mezclado y una camara de reaccion que comprende una varilla de distribucion de luz y dispensacion de fluido. El documento US-2009/0.291.485 describe un sistema de cultivo que comprende un deposito de cultivo, una matriz de luz giratoria y un impulsor rotacional. El documento US-2010/003.405 se refiere a un aparato para el crecimiento de algas que funciona por lotes.

Sin embargo, en los FBR actuales, los costes de iluminacion y los requisitos de energfa han convertido en poco practicas las soluciones anteriores para todos los casos salvo el cultivo de organismos usados en productos de alto valor como productos farmaceuticos, cosmeticos, productos alimentarios y/o neutraceuticos. Por tanto, a pesar de los altos rendimientos del cultivo de microalgas obtenidos en algunos experimentos de laboratorio muy bien controlados, hasta la fecha los esfuerzos en cultivos en masa de microalgas han sido decepcionantes dado que fueron ineficaces y antieconomicos y en particular los actuales procedimientos de procesamiento de microalgas han fracasado en su intento por conseguir biocombustibles derivados de microalgas rentables economicamente.

Resumen de la invencion

Un objeto de la presente invencion es proporcionar un fotobiorreactor para cultivar y procesar biomasa de fotosfntesis, especialmente biomasa de microalgas, que puede hacerse funcionar en flujo continuo o semicontinuo, permite altos rendimientos de produccion de biomasa (por ejemplo, por unidad de tiempo, de volumen y de area superficial de huella) y proporciona un aumento de escala eficaz de las unidades de produccion.

Los objetos de la presente invencion se han alcanzado proporcionando un fotobiorreactor segun la reivindicacion 1.

Descripcion detallada

En la presente memoria descriptiva se describe un fotobiorreactor para cultivo en flujo continuo o semicontinuo de biomasa de fotosfntesis, incluyendo el fotobiorreactor un receptaculo que define una camara interior que comprende una parte de camara de cultivo y una parte de camara de alimentacion de gas; un sistema de regulacion de temperatura; un sistema de regulacion de flujo que comprende una entidad de mezcla y concentracion de cultivo que comprende un dispositivo de propulsion de flujo que dirige la biomasa; y un sistema de iluminacion, comprendiendo la parte de camara de cultivo una zona de concentracion de cultivo y una zona de recogida de cultivo, estando el sistema de regulacion de temperatura y el sistema de regulacion de flujo en la parte de camara de cultivo, estando el sistema de iluminacion dentro de la zona de concentracion de cultivo y de manera que el sistema del dispositivo de propulsion de flujo que dirige la biomasa genera un flujo vertical de medio de cultivo contenido en el receptaculo de manera que la biomasa se concentra en la zona de concentracion de cultivo.

Ventajosamente, el dispositivo de propulsion de flujo que dirige la biomasa permite concentrar la biomasa en la parte de camara de cultivo en una zona de concentracion de cultivo independientemente, o en contra, del efecto de la gravedad en el fotobiorreactor que tiende a inducir, durante el proceso de cultivo, que la biomasa se sedimente lentamente en el fondo de la parte de camara de cultivo desde el fotobiorreactor.

El dispositivo de propulsion de flujo que dirige la biomasa puede configurarse para crear ventajosamente dos flujos verticales opuestos del medio de biomasa para transportar y concentrar la biomasa en la zona de concentracion de cultivo situada esencialmente en una parte intermedia o central de la parte de camara de cultivo, a la vez que permite el mezclado homogeneo de la biomasa concentrada.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

El sistema de regulacion del flujo permite aumentar el tiempo de residencia de la biomasa (por ejemplo, concentrando y manteniendo la biomasa) en una zona definida desde la parte de camara de cultivo denominada zona de concentracion de cultivo en la que los parametros de cultivo (por ejemplo, temperatura, concentracion de nutrientes, pH, concentracion de nutrientes gaseosos, iluminacion) se ajustan de manera que se obtienen velocidades y rendimientos de conversion optimos (por ejemplo, rendimientos de crecimiento, rendimientos de produccion de productos derivados de la biomasa), a la vez que se proporciona un mezclado homogeneo de la biomasa concentrada en esta zona de concentracion de cultivo para evitar que aparezcan factores de limitacion del cultivo como sobrecalentamiento local, radiacion luminosa local excesiva, radiacion de luz insuficiente, variaciones locales del pH, y aumentar el contacto superficial entre el nutriente gaseoso y la biomasa concentrada. Ademas, el sistema de regulacion del flujo permite un mezclado suave y de baja cizalla de la biomasa concentrada en esta zona de concentracion de cultivo evitando danos traumaticos en la biomasa, a la vez que induce la dispersion homogenea de gases metabolicos (por ejemplo, O2 y H2) expulsados en la superficie del medio de cultivo para facilitar su recogida. Normalmente, la densidad de poblacion celular dentro de la zona de concentracion de cultivo esta comprendida entre aproximadamente 1 y aproximadamente 50 x 1010 celulas por mililitro en el caso de Chlorella vulgaris.

Ventajosamente, el sistema de regulacion de temperatura permite controlar la temperatura en la parte de camara de cultivo y en particular dentro de la zona de concentracion de cultivo con el fin de ajustar la temperatura a un valor optimo y obtener tasas de crecimiento y/o rendimientos de conversion optimos.

Un fotobiorreactor segun la invencion puede comprender ademas un sistema de alimentacion de gas, un dispositivo de alimentacion y un sistema de recogida.

Un fotobiorreactor segun la invencion puede comprender ademas una unidad de control de retroalimentacion.

Ventajosamente, la unidad de control de retroalimentacion permite monitorizar de forma constante y ajustar rapidamente los parametros de cultivo para obtener tasas de crecimiento y rendimientos de conversion optimos. Ademas, el sistema de control de retroalimentacion permite la rapida deteccion de disfunciones operativas o contaminacion de cultivos. En particular, la unidad de control de retroalimentacion permite accionar el fotobiorreactor segun la invencion en un modo continuo o semicontinuo.

Un fotobiorreactor segun la invencion puede comprender un sistema de iluminacion que comprende un dispositivo de soporte de fuente luminosa, una unidad de control de luz y un soporte rotatorio que tiene un impulsor. Ventajosamente, dicho sistema de iluminacion permite la iluminacion homogenea (por ejemplo, tiempo de iluminacion, intensidad) de la biomasa concentrada dentro de la zona de concentracion de cultivo, a la vez que proporciona un mezclado mas homogeneo.

Ventajosamente, un fotobiorreactor segun la invencion puede comprender un dispositivo de soporte de fuente luminosa que comprende al menos un soporte de fuente luminosa y una pluralidad de fuentes luminosas montadas en el soporte de fuente luminosa de manera que las fuentes luminosas estan dispuestas esencialmente en paralelo al eje del fotobiorreactor y estan distribuidas de forma sustancialmente uniforme dentro de la zona de concentracion de cultivo.

Un fotobiorreactor segun la invencion puede comprender un sistema de alimentacion de gas que comprende una plataforma de distribucion de burbujas de gas que comprende una entrada de gas y un dispositivo de regulacion de la presion de gas. La entrada de gas puede comprender pasos de gas y un regulador de flujo de gas.

Un fotobiorreactor segun la invencion puede comprender una entidad de mezcla y concentracion de cultivo que comprende un dispositivo de propulsion de flujo que dirige la biomasa que comprende palas montadas en un soporte rotatorio que tiene un impulsor. Ventajosamente, las palas deben ser perfiladas y la velocidad de rotacion del soporte rotatorio de dichas palas debe ajustarse para dirigir la biomasa hacia la zona de cultivo de concentracion, con el fin de mantener la biomasa asf concentrada en esta zona de concentracion de cultivo y para proporcionar un mezclado no traumatico de la biomasa. Normalmente, la velocidad de rotacion del soporte rotatorio de estas palas a partir del dispositivo de propulsion de flujo que dirige la biomasa esta comprendida entre aproximadamente 0,1 y mas de 60 rpm dependiendo del diametro del reactor y de la sensibilidad del tipo de organismo cultivado al esfuerzo de cizalla.

Un fotobiorreactor segun la invencion puede comprender una unidad de control de retroalimentacion que comprende una unidad de recogida de muestras, un analizador de muestras y un dispositivo de control. El analizador de muestras puede comprender ademas al menos un sensor para analizar la muestra de cultivo y un sistema de adquisicion por ordenador. Ventajosamente, la unidad de control de retroalimentacion permite ademas la medida continua o semicontinua de parametros indicativos del tamano y/o densidad de las celulas de biomasa presentes en la muestra de cultivo y el ajuste instantaneo de los parametros de cultivo para obtener tasas de crecimiento y rendimientos de conversion optimos basandose en el valor de los parametros medidos.

Ventajosamente, el receptaculo del fotobiorreactor permite trabajar a una presion superior a la presion atmosferica, con lo que se induce un aumento en la concentracion del nutriente gaseoso en el medio de cultivo. Normalmente, el

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

receptaculo del fotobiorreactor es adecuado para trabajar a presiones absolutas de 1 milibares hasta 5 bares o mas.

Ademas, en la presente memoria descriptiva se describe una planta de produccion que comprende al menos un fotobiorreactor segun la invencion.

Ademas, en la presente memoria descriptiva se describe un procedimiento para desarrollar biomasa de fotosfntesis en un modo continuo o semicontinuo que comprende:

(i) suministro de un cultivo de fotosfntesis en un medio de cultivo acuoso en una parte de camara de cultivo con regulacion de temperatura;

(ii) alimentacion del cultivo de fotosfntesis con nutrientes;

(iii) mezcla y concentracion de dicho cultivo de fotosfntesis en una zona de concentracion de cultivo desde dicha parte de camara de cultivo;

(iv) suministro homogeneo de nutriente gaseoso al medio de cultivo de fotosfntesis;

(v) suministro homogeneo de una exposicion luminosa controlada a dicho cultivo de fotosfntesis en la zona de concentracion desde el interior del medio de cultivo;

(vi) recogida continua o semicontinua de una biomasa desde dicho cultivo de fotosfntesis.

Los objetos y aspectos ventajosos adicionales de la invencion seran evidentes a partir de las reivindicaciones y de la siguiente descripcion detallada de realizaciones de la invencion con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

la Figura 1A es una vista en seccion transversal de un fotobiorreactor segun una realizacion de la invencion;

la Figura 1B es una vista en seccion transversal de un fotobiorreactor segun otra realizacion de la invencion;

la Figura 2 es una vista en seccion transversal de un fotobiorreactor segun otra realizacion de la invencion, comprendiendo el fotobiorreactor una entidad de mezcla y concentracion de cultivo que tiene una pluralidad de conjuntos de palas montadas en un soporte rotatorio, una pluralidad de conjuntos de dispositivos de soportes de fuente luminosa montados en un soporte rotatorio y una pluralidad de lfneas de alimentacion;

la Figura 3A es una vista esquematica en seccion transversal de un sistema de iluminacion del fotobiorreactor segun una realizacion, que ilustra un dispositivo de soporte de fuente luminosa y soporte rotatorio visto en paralelo al eje del fotobiorreactor;

la Figura 3B es una vista esquematica en seccion transversal de un dispositivo de soporte de fuente luminosa y soporte rotatorio visto en perpendicular al eje del fotobiorreactor segun una realizacion de la invencion;

la Figura 3C es una vista esquematica de una disposicion de fuentes luminosas vista en un plano perpendicular al eje del fotobiorreactor segun una realizacion de la invencion;

la Figura 4 describe esquematicamente una vista en seccion transversal de una plataforma de distribucion de burbujas de gas segun una realizacion de la invencion en la que la entrada de gas se consigue a traves de pasos de gas perfilados hechos en una placa perforada de manera que las burbujas de gas son liberadas en la parte de camara de cultivo no verticalmente a la superficie de la plataforma de distribucion de burbujas de gas.

las Figuras 5A y 5B ilustran esquematicamente sistemas de cultivo de fotosfntesis segun realizaciones de la invencion que muestran una configuracion de una pluralidad de fotobiorreactores dispuestos en serie para cultivar microorganismos, en las que la figura 5A ilustra fotobiorreactores R1 y R2 en serie para cultivar microorganismos en diferentes fases de desarrollo y la figura 5B ilustra un fotobiorreactor R1 para cultivar microorganismos dispuestos en serie con biorreactores para la byconversion (R2 y R3 dispuestos en paralelo).

En referencia a la figura 1, un fotobiorreactor 1 segun una realizacion de la invencion comprende un receptaculo 2 que define una camara interior 58 que comprende una parte de camara de cultivo 8 para contener un medio de cultivo lfquido y una parte de camara de alimentacion de gas 60, un sistema de regulacion de temperatura 9, un sistema de regulacion de flujo 3 que comprende una entidad de mezcla y concentracion de cultivo 23 que comprende un dispositivo de propulsion de flujo que dirige la biomasa 47 y un sistema de iluminacion 5. La parte de camara de cultivo 8 comprende una zona de concentracion de cultivo 18, una zona de recogida de cultivo 19 y una zona de recogida de gas 43, estando dispuesto el sistema de regulacion de temperatura 9 y el sistema de regulacion de flujo 3 en la parte de camara de cultivo 8 y estando dispuesto el sistema de iluminacion 5 dentro de la zona de concentracion de cultivo 18. El fotobiorreactor 1 segun una realizacion de la invencion comprende ademas un sistema de alimentacion de gas 12, un dispositivo de alimentacion 4 y un sistema de recogida 7.

La camara interior 58 esta confinada por el receptaculo de biorreactor 59 que comprende paredes laterales, inferior y superior 59a, 59b, 59c conectadas a al menos un orificio de alimentacion superior 13 que puede cerrarse mediante una valvula 14a, al menos un orificio de alimentacion inferior 15 que puede cerrarse mediante una valvula 14d en comunicacion fluida con la parte de camara de alimentacion de gas 60 y al menos un orificio de flujo de salida 17 a

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

la altura de la zona de recogida de cultivo 19 y que puede cerrarse mediante una valvula 14c.

El sistema de regulacion de temperature 9 esta configurado de manera que controla la temperature del medio de cultivo en la zona de cultivo 8 y en particular dentro de la zona de concentracion de cultivo 18 y comprende un elemento de deteccion de temperature 10 y un organo de calentamiento/enfriamiento 61.

El sistema de alimentacion de gas 12 comprende una plataforma de distribucion de burbujas de gas 21 configurada para suministrar y controlar el suministro de burbujas de gas, en particular burbujas de nutriente gaseoso, al medio de cultivo en la parte de camara de cultivo 8, en particular en la zona de concentracion de cultivo 18. La plataforma de distribucion de burbujas de gas 21 comprende una entrada de gas 40 y un dispositivo de regulacion de la presion de gas 22. La entrada de gas 40 esta configurada para controlar el tamano, el flujo y las trayectorias de las burbujas de gas que entran en la parte de camara de cultivo 8 desde la parte de camara de alimentacion de gas 60. La entrada 40 comprende pasos de gas 41 (Figura 4) para conducir el gas desde la parte de camara de alimentacion de gas 60 a la parte de camara de cultivo 8 y un regulador de flujo de gas 45 con el fin de regular el flujo de gas a traves de estos pasos 41. El regulador de flujo de gas 45 comprende un soporte rotatorio 28a que tiene un impulsor 57a cuyo eje de rotacion es esencialmente paralelo al eje del fotobiorreactor. El dispositivo de regulacion de la presion de gas 22 esta configurado de manera que controla la presion de gas dentro de la parte de camara de alimentacion de gas 60 y comprende al menos un sensor de presion.

La parte de camara de alimentacion de gas 60 puede estar llena parcialmente con elementos de mezclado lfquidos y solidos tales como bolas de vidrio cuya funcion es dividir la corriente de gas que entra en la plataforma de distribucion de gas 21 en burbujas de pequeno diametro.

Los mezcladores Venturi permiten alcanzar tamanos de solo 40 pm y pueden instalarse en la lfnea de alimentacion de gas 25 alimentando directamente las burbujas en el lfquido contenido en la camara de alimentacion de gas 60.

El sistema de regulacion de flujo 3 esta configurado de manera que concentra la biomasa de fotosfntesis en suspension en el medio de cultivo en una zona de la parte de camara de cultivo 8 denominada zona de concentracion de cultivo 18. El sistema de regulacion de flujo 3 comprende una entidad de mezcla y concentracion de cultivo 23 que comprende un dispositivo de propulsion de flujo que dirige la biomasa 47 que comprende palas 44 montadas en un soporte rotatorio 28b que tiene un impulsor 57b cuyo eje de rotacion es esencialmente paralelo al eje del fotobiorreactor.

El sistema de iluminacion 5 esta configurado de manera que proporciona la biomasa de fotosfntesis en suspension en el medio de cultivo con una iluminacion controlada en terminos de intensidad, longitud de onda, tiempo de iluminacion y ciclos de iluminacion (activo e inactivo) de las fuentes luminosas 30 de una forma homogenea en la zona de concentracion 18 (por ejemplo, cada elemento de volumen en la zona de concentracion 18 puede recibir esencialmente la misma duracion de iluminacion e intensidad). El sistema de iluminacion 5 comprende un dispositivo de soporte de fuente luminosa 26, una unidad de control de luz 27 y un soporte rotatorio 28c que tiene un impulsor 57c cuyo eje de rotacion es esencialmente paralelo al eje del fotobiorreactor. El dispositivo de soporte de fuente luminosa 26 comprende al menos un soporte de fuente luminosa 29 y una pluralidad de fuentes luminosas 30 montadas en el soporte de fuente luminosa 29 de manera que las fuentes luminosas 30 estan dispuestas esencialmente en paralelo al eje del fotobiorreactor y estan distribuidas esencialmente de manera uniforme dentro de la zona de concentracion de cultivo 18. La unidad de control de luz 27 esta configurada para el seguimiento independientemente de la intensidad, las longitudes de onda, el tiempo de iluminacion y los ciclos de iluminacion (activo e inactivo) de las fuentes luminosas 30.

El dispositivo de alimentacion 4 comprende una lfnea de alimentacion superior 24 en comunicacion fluida con el orificio de alimentacion superior 13 a traves de la apertura de una valvula 14a y una lfnea de alimentacion inferior 25 en comunicacion fluida con el orificio de alimentacion inferior 15 a traves de la apertura de una valvula 14d. La lfnea de alimentacion superior 24 esta configurada para introducir material de alimentacion de cultivo tal como un medio de cultivo (por ejemplo, agua) y nutrientes (por ejemplo, nitrogeno por ejemplo en forma de nitratos, sales y minerales) y la biomasa de fotosfntesis en la zona de cultivo 8. La lfnea de alimentacion inferior 25 esta configurada para introducir gas en la parte de camara de alimentacion de gas 60. El sistema de recogida 7 esta configurado de manera que recoge la biomasa cultivada en modo continuo o semicontinuo desde el fotobiorreactor y comprende una lfnea de flujo de salida 38 en comunicacion fluida con un deposito de recogida 56 a traves de una valvula de flujo de salida 14c.

El fotobiorreactor puede comprender ademas una unidad de control de retroalimentacion 6 configurada para controlar independientemente diversos parametros del medio de cultivo tales como temperatura, iluminacion, pH, flujo de gas, presion del gas, concentracion de nutrientes, tamano y densidad de la zona de concentracion de cultivo 18 a traves del analisis de una muestra de cultivo dentro de la zona de concentracion de cultivo 18 y una accion de retroalimentacion en dichos parametros dependiendo de los resultados del analisis de la muestra. En particular, la unidad de control de retroalimentacion 6 esta configurada para controlar el tiempo de residencia de la biomasa de fotosfntesis en la zona de concentracion 18. La unidad de control de retroalimentacion 6 comprende una unidad de recogida de muestras 31, un analizador de muestras 33 y un dispositivo de control 37.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

La unidad de recogida de muestras 31 esta configurada para recoger una muestra de cultivo desde la zona de concentracion de cultivo 18 a traves de un orificio de control 16 en una pared 59a desde el receptaculo 2 en un modo continuo o semicontinuo. La unidad de recogida de muestras 31 comprende una lfnea de control 32 dispuesta en comunicacion fluida con un orificio de control 16 a traves de la apertura de una valvula 14b y una bomba 42. La bomba 42 esta configurada para recoger una muestra del medio de cultivo dentro de la zona de concentracion a traves de la lfnea de control 32 y para impulsar la muestra recogida al analizador de muestras 33.

El analizador de muestras 33 comprende al menos un sensor 50 para analizar la muestra de cultivo y un sistema de adquisicion de datos por ordenador 51 para almacenar los datos del analisis y compararlos con valores estandar almacenados previamente en el sistema de adquisicion de datos por ordenador 51. El sistema de adquisicion de datos por ordenador 51 esta configurado de manera que envfa informacion al dispositivo de control 37 sobre cualquier desviacion con respecto a los valores estandar en relacion con los parametros de las condiciones de cultivo tales como temperatura, presion del gas, densidad y tamano de las celulas, pH, concentracion de CO2 en la zona de concentracion 18 desde la parte de camara de cultivo 8.

El dispositivo de control 37 esta configurado de manera que controla independientemente el funcionamiento del sistema de regulacion de temperatura 9, el sistema de alimentacion de gas 12, el sistema de regulacion de flujo 3, el sistema de iluminacion 5, el sistema de recogida 7 y el dispositivo de alimentacion 4 basandose en la informacion recibida del sistema de adquisicion de datos por ordenador 51 en relacion con los parametros de las condiciones de cultivo. El dispositivo de control comprende un accionador de valvulas multiples 34 configurado de manera que lleva un seguimiento del flujo en la lfnea de alimentacion superior 24, la lfnea de alimentacion inferior 25, la lfnea de control 32 y la lfnea de flujo de salida 38 a traves del control de la valvula de alimentacion superior 14a, la valvula de alimentacion inferior 14d, la valvula de control 14b y la valvula de flujo de salida 14c, respectivamente.

La unidad de control de retroalimentacion 6 puede comprender ademas una lfnea de reinyeccion de muestra 36 en comunicacion fluida con la lfnea de alimentacion superior 24 a traves de la apertura de una valvula de multiples orificios 35 para la reinyeccion de la muestra (por ejemplo, agua, nutrientes disueltos, biomasa, gases disueltos) recogida en la unidad de recogida de muestras 31 en la parte de camara de cultivo 8. La valvula de multiples orificios 35 esta configurada para ser accionada tambien por el accionador de valvulas multiples 34.

Las paredes 59a o 59c en la parte superior del receptaculo 2, en la zona de recogida de gas 43 sobre la superficie del medio lfquido en la parte de camara de cultivo 8, pueden comprender ademas un orificio de ventilacion 51 en comunicacion fluida con el exterior del fotobiorreactor a traves de la apertura de una valvula 14e. El orificio de ventilacion 51 esta configurado de manera que recoge gas desde el fotobiorreactor por ejemplo CO2 no usado u O2 o H2 producidos. La valvula 14e esta configurada para ser accionada tambien por el accionador de valvulas multiples 34. El orificio de ventilacion 51 puede estar conectado a un sistema colector de gas a traves de una lfnea de gas de purga 68, estando el sistema colector de gas 67 configurado de manera que captura y en su caso purifica el gas recogido desde el orificio de ventilacion 51.

Las paredes 59a o 59c en la parte superior del receptaculo 2, en la zona de recogida de gas 43 sobre la superficie del medio lfquido en la parte de camara de cultivo 8 pueden comprender ademas un sensor de desbordamiento 53, una salida de desbordamiento 54 en comunicacion fluida con el exterior del biorreactor a traves de la apertura de una valvula 14f. El sensor de desbordamiento 53 esta configurado de manera que envfa informacion relativa al nivel de la superficie del medio lfquido en la parte de camara de cultivo 8 al sistema de adquisicion de datos por ordenador 51 desde la unidad de control de retroalimentacion 6 y/o para controlar una alarma en el dispositivo de control 37 en el caso de mal funcionamiento que provoque un aumento en el nivel del lfquido en la parte de camara de cultivo 8 por encima de un nivel predeterminado. La valvula 14f esta configurada para ser accionada tambien por el accionador de valvulas multiples 34. La salida de desbordamiento 54 puede estar conectada a un sistema colector de desbordamiento a traves de una lfnea de desbordamiento 70, estando el sistema colector de desbordamiento 69 configurado de manera que captura el desbordamiento de cultivo lfquido recogido de la salida de desbordamiento 54. El cultivo lfquido capturado puede ser enviado a continuacion a la seccion de gestion de residuos de una planta industrial.

El fotobiorreactor puede comprender ademas bombas 54a y 54b configuradas para bombear los nutrientes y el gas de las fuentes de nutrientes y gas en las lfneas de alimentacion superior e inferior 24 y 25, respectivamente. El fotobiorreactor puede comprender ademas una bomba 54c configurada para bombear el cultivo recogido desde la lfnea de flujo de salida 38. Las bombas 54a, 54b, 42, 54c son cualquier dispositivo adecuado capaz de bombear la suspension sin danar las celulas. En una realizacion en particular, los sistemas de bombeo adecuados son aquellos que no crean esfuerzo de cizalla a la altura de la membrana celular tales como las bombas de movimiento alternativo o peristalticas. Los ejemplos de otros dispositivos adecuados incluyen, sin limitacion, bombas centrffugas, bombas impulsoras o bombas rotatorias.

En una realizacion ventajosa en particular, el fotobiorreactor segun la invencion es adecuado para trabajar bajo presion y comprende un receptaculo hermetico resistente a la presion 2.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Los materiales adecuados que pueden usarse para formar el receptaculo 2 del fotobiorreactor incluyen, pero no se limitan a acero inoxidable o cualquier polfmero o copolfmero que tiene propiedades de resistencia ultravioleta tales como policarbonatos, resinas acrflicas, polipropileno, polietileno, policloruro de vinilo y vidrio, y/o los mismos revestidos con recubrimientos especfficos que muestran filtrado de la luz. Normalmente, las paredes interiores 59a, 59c y en su caso 59b del receptaculo del fotobiorreactor pueden estar hechas o revestidas con un material biocompatible seleccionado entre la lista anterior o pueden estar revestidas con recubrimientos que muestran propiedades lipofobas con el fin de evitar la aglomeracion de material, tales como recubrimientos superficiales formados al menos por dos capas dependiendo del sustrato y del entorno en el que se colocara el reactor. En general, las capas que estan en contacto con la superficie del reactor son normalmente oxidos metalicos, nitruros, oxinitruros, boruros o carburos. La capa intermedia puede estar formada tambien por CMOS (materiales semiconductores de oxido metalico complementarios). Las capas intermedias se usan para la adhesion, asf como para las propiedades metalurgicas. La capa funcional que esta situada frente a la mezcla lfquida en la parte de la camara de cultivo 8 puede estar saturada con fracciones de fluor, y esta superficie puede modificarse para interaccionar con sustancias qufmicas especfficas, sitios de protefnas en las formas prescritas.

El organo de calentamiento/enfriamiento 61 puede estar ventajosamente en forma de un fluido termico (por ejemplo, un lfquido o un gas) que circula en una envoltura interna 46 (por ejemplo, paredes con doble revestimiento) que presenta un orificio de entrada de fluido termico 71 y un orificio de salida de fluido termico 72 dentro de las paredes 59 desde el receptaculo 2, estando el organo de calentamiento/enfriamiento 61 configurado de manera que calienta/enfrfa el fluido termico bajo el control del elemento de deteccion de temperatura 10.

Los pasos de gas 41 pueden estar formados por cabezales de boquilla, perforaciones en una placa, o un injerto o malla metalica. Los pasos de gas 41 en forma de perforaciones en una placa pueden estar en forma de orificios rectos o canales perfilados que estan configurados para liberar burbujas de gas en angulo oblicuo a la direccion vertical (axial), hasta situarse tangencialmente o casi tangencialmente con respecto a la superficie de la entrada de gas 40 tal como se muestra en la Figura 4. Esto ayuda ventajosamente a aumentar el tiempo de residencia de las burbujas de gas dentro de la zona de concentracion de cultivo 18. En particular, la plataforma de distribucion de burbujas de gas 21 presenta la ventaja de elevar al maximo la tasa de absorcion de dioxido de carbono introduciendo CO2 en la zona de concentracion de cultivo 18 en forma de burbujas de pequeno tamano que tienen una velocidad vertical lo mas baja posible y dispersandolas de manera homogenea dentro de la zona de concentracion de cultivo 18. Normalmente, las burbujas de CO2 que tienen un diametro medio de aproximadamente 40 pm a aproximadamente 5 mm pueden circular a traves de la plataforma de distribucion de gas 21.

En una realizacion en particular, la entrada de gas 40 esta situada esencialmente en la parte inferior de la zona de concentracion de cultivo 18. La lfnea de alimentacion inferior 25 puede estar en conexion fluida con un deposito de almacenamiento de CO2

El CO2 suministrado en la parte de camara de alimentacion de gas 60 puede ser CO2 extrafdo de la atmosfera o CO2 generado desde un digestor de biomasa o CO2 generado desde una planta de energfa electrica que quema combustible a base de carbono (por ejemplo, carbon, petroleo, gas natural o materiales de celulosa) o cualquier combinacion de lo anterior. La corriente de gas efluente rica en CO2 pasa primero a traves de una unidad de limpieza del gas en la que las sustancias toxicas como los oxidos (por ejemplo, oxidos de fosforo, Pox; oxidos de nitrogeno, Nox) y los metales pesados de los que se sabe que tienen propiedades antibioticas como las sales de plata son eliminados y/o transformados en ingredientes utiles tales como nutrientes antes de entrar en la camara de gas 60 desde el fotobiorreactor. Las tecnologfas disponibles para capturar CO2 y para la limpieza de la alimentacion de CO2 son bien conocidas en la tecnica.

El regulador de flujo 45 puede estar formado por pasos de gas 41 montados en el soporte rotatorio 28a o por una placa perforada o una red o malla metalica montada esencialmente en perpendicular al eje de rotacion del soporte rotatorio 28a sobre los pasos de gas 41. La placa perforada o red o malla presenta ventajosamente orificios o canales distribuidos esencialmente de manera uniforme en toda la superficie y dispuestos en la interfaz entre la parte de camara de alimentacion de gas 60 y la parte de camara de cultivo 8, en particular en proximidad de la zona de concentracion de cultivo 18.

En una realizacion en particular, los soportes de fuente luminosa 29 estan hechos o recubiertos con un material polimerico biocompatible que previene el deposito de material de cultivo en su superficie tal como se describe anteriormente. En una realizacion en particular, los materiales adecuados que pueden usarse para formar los soportes de fuente luminosa 29 o el receptaculo de las fuentes luminosas incluyen pero no se limitan a cualquier polfmero y/o copolfmero que sea transparente, excelente en la transmision de luz y que tenga propiedades de resistencia al ultravioleta tales como los policarbonatos, resinas acrflicas, polipropileno, polietileno, policloruro de vinilo y vidrio, y/o los mismos revestidos con recubrimientos especfficos que muestran propiedades de filtrado y concentracion de la luz.

En otras realizaciones en particular, la fuente luminosa 30 puede comprender una disposicion de diodos emisores de luz (LED), tubos luminiscentes o fibras opticas sumergibles. Los LED, tubos luminiscentes o fibras opticas pueden montarse esencialmente en paralelo al eje de dicho fotobiorreactor en un dispositivo de soporte de fuente luminosa

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

26 como los mostrados en las Figuras 3A y B. Por ejemplo, la fuente luminosa 30 puede comprender una combinacion de uno o mas LED o tubos luminiscentes o fibras opticas para emitir luz con una longitud de onda en el intervalo de aproximadamente 380 nm a aproximadamente 800 nm. La unidad de control de luz 27 puede realizar un seguimiento de los ciclos de iluminacion de fuentes luminosas 30 que comprende normalmente el encendido y apagado de las fuentes luminosas en un ciclo de aproximadamente 1 a aproximadamente 10 segundos de encendido y de aproximadamente 1 a aproximadamente 10 segundos de apagado, normalmente de aproximadamente 1 segundo de encendido y aproximadamente 6 segundos de apagado.

Las fuentes luminosas 30 adyacentes pueden estar separadas dentro de la zona de concentracion de cultivo 18 a una distancia que es menor o igual que la distancia mas alla de la cual la energfa de fotosfntesis de la fuente luminosa es insuficiente para generar fotosfntesis efectiva (tambien denominada Dmax)- En una realizacion particular adicional, las fuentes luminosas estan separadas en un plano perpendicular al eje del fotobiorreactor de manera que cada elemento de volumen en la zona de concentracion 18 recibe esencialmente la misma duracion de iluminacion e intensidad independientemente de su distancia desde el eje de rotacion del sistema de iluminacion 5, es decir, la distancia entre dos fuentes luminosas adyacentes dentro de un plano perpendicular al eje del fotobiorreactor se ajustan a la distancia que separa esta fuente luminosa al eje de rotacion del sistema de iluminacion 5. Por ejemplo, si D1 corresponde al valor Dmax para una fuente luminosa situada a una distancia n desde el eje de rotacion del sistema de iluminacion 5, el valor D'max para una fuente luminosa situada a una distancia r2 desde el eje de rotacion del sistema de iluminacion 5 (D2) se ajustara del modo siguiente: D2 = D1 * r2/r1. En la Figura 3C se muestra una representacion esquematica de dicha configuracion en la que un elemento A o B de la zona de concentracion de cultivo 18 recibira esencialmente la misma duracion de iluminacion e intensidad desde las fuentes luminosas 30.

En otra realizacion, el tiempo de iluminacion de las fuentes luminosas en un plano perpendicular al eje del fotobiorreactor esta regulado por la unidad de control de luz 27 de manera que cada elemento de volumen en la zona de concentracion 18 recibe esencialmente la misma duracion de iluminacion e intensidad independientemente de su distancia desde el eje de rotacion del sistema de iluminacion 5, es decir, los tiempos de iluminacion de las fuentes luminosas en un plano perpendicular al eje del fotobiorreactor se ajustan a la distancia que separa una fuente luminosa en el eje de rotacion del sistema de iluminacion 5. Por ejemplo, si T1 corresponde al valor del tiempo de iluminacion para una fuente luminosa situada a una distancia n desde el eje de rotacion del sistema de iluminacion 5, el valor del tiempo de iluminacion para una fuente luminosa situada a una distancia r2 desde el eje de rotacion del sistema de iluminacion (T2) se ajustara del modo siguiente: T2 = T1* r2/r1.

En una realizacion en particular, las fuentes luminosas 30 pueden estar separadas dentro de la zona de concentracion de cultivo 18 a distancias comprendidas en el intervalo de aproximadamente 1 a aproximadamente 15 cm a lo largo del eje del fotobiorreactor, y a distancias comprendidas en el intervalo de aproximadamente 1 a aproximadamente 15 cm perpendicularmente al eje del fotobiorreactor.

En una realizacion en particular, el sistema de iluminacion 5 puede estar formado por una pluralidad de dispositivos de soportes de fuentes luminosas 26 esencialmente paralelos entre si dentro de la zona de concentracion de cultivo 18 por ejemplo tal como se muestra en la Figura 2C.

En una realizacion en particular, las longitudes de onda de la luz emitida por las fuentes luminosas 30 pueden variar dependiendo de su distancia desde el eje central en un plano perpendicular al eje del fotobiorreactor.

En una realizacion en particular, se cultiva Chorella pyrenoidosa usando iluminacion artificial de aproximadamente 458 nm (region azul del espectro, absorcion de clorofila intensa y efecto morfogenetico) y aproximadamente 633 nm (region roja del espectro, absorcion de clorofila intensa, efectos morfogenetico y ontogenetico).

En una realizacion en particular, se usa una longitud de onda entre aproximadamente 380 y aproximadamente 510 nm para cultivar celulas en la fase exponencial de sus ciclos de crecimiento. En otra realizacion en particular, se usan longitudes de onda entre aproximadamente 620 y aproximadamente 710 nm para cultivar celulas en el inicio de sus ciclos de crecimiento.

La unidad de control de luz 27 comprende un circuito electrico configurado de manera que controla el funcionamiento de las fuentes luminosas 30 (por ejemplo, tiempo y frecuencia de los ciclos de iluminacion, intensidad luminosa, longitud de onda de la luz), normalmente a traves de un sistema informatico externo que puede estar conectado electronicamente a la unidad de control 37 desde la unidad de control de retroalimentacion 6.

En una realizacion en particular, el sistema de regulacion de flujo 3 comprende una entidad de mezcla y concentracion de cultivo 23 y la zona de concentracion 18 esta situada esencialmente en la parte inferior del fotobiorreactor (Figura 1). En otra realizacion en particular, el sistema de regulacion de flujo 3 esta formado por una pluralidad de entidades de mezcla y concentracion de cultivo 23. En una realizacion particular adicional, el sistema de regulacion de flujo 3 comprende dos entidades de mezcla y concentracion de cultivo 23 que giran alrededor del mismo eje esencialmente paralelo al eje del fotobiorreactor pero en direcciones opuestas (por ejemplo, horaria y antihoraria en un plano esencialmente perpendicular al eje del fotobiorreactor) y la zona de concentracion 18 esta situada esencialmente en la parte central del fotobiorreactor tal como se muestra por ejemplo en las Figuras 2A y B.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Los soportes rotatorios 28a, 28b y 28c pueden ser accionados independientemente por impulsores separados 57a, 57b y 57c o alternativamente pueden ser accionados conjuntamente mediante el mismo impulsor. En una realizacion en particular, la velocidad de rotacion de los impulsores 57a, 57b y 57c esta controlada por retroalimentacion independientemente mediante el dispositivo de control 37 desde la unidad de control de retroalimentacion 6.

La unidad de control de retroalimentacion del cultivo 6 puede estar formada ventajosamente por una unidad de recogida de muestras 31 configurada para la recogida de muestras de cultivo desde la zona de concentracion de cultivo 18 en intervalos de tiempo predeterminados, por ejemplo, entre 1 segundo y 10 minutos a traves de la lfnea de control 32.

El analizador de muestras 33 puede comprender al menos un sensor 50 para medir los parametros de las muestras de cultivo tales como el pH, la temperatura, la concentracion de dioxido de carbono disuelto, la concentracion de oxfgeno, la presion del gas y las presiones parciales, la concentracion de nutrientes (por ejemplo, nitratos), el tamano y la densidad de las celulas cultivadas comunes en los fotobiorreactores. Por ejemplo, el tamano y/o el numero de celulas puede ser valorado por el analizador de muestras 33 a traves de la medida del numero/tamano de celulas en una muestra de cultivo por citometrfa de flujo tal como se describe en Arino J., Modelisation structuree de la croissance du phytoplancton en chemostat; Universite J Fourrier, Thesis January 12, 2001 y determinar asf rapidamente en que fase (por ejemplo, latencia, crecimiento exponencial, decaimiento) del ciclo de vida celular se encuentra predominantemente la muestra analizada, especialmente de forma ventajosa en el caso de algas unicelulares que tienen tiempos de duplicacion cortos. Por ejemplo, la densidad de celulas puede ser valorada por un analizador de muestras 33 a traves de la medida de la turbiedad de una muestra de cultivo mediante espectrometrfa de absorcion (por ejemplo, 680 y 800 nm).

Dependiendo del valor de los parametros medidos por el analizador de muestras 33 en comparacion con los valores de referencia para dichos parametros (por ejemplo, almacenados previamente en el sistema de adquisicion de datos por el ordenador 51), el impulsor de valvula de multiples orificios 34 de la unidad de control de retroalimentacion de cultivo 6 esta configurado de manera que ordena independientemente la apertura de valvulas 14a y 14d desde las lfneas de alimentacion 24 y 25 para alimentar el cultivo con nutrientes y gas, la apertura de valvula 35 para reinyectar la muestra de cultivo en la lfnea de alimentacion 24, la apertura de valvula 14c para recoger el cultivo en una lfnea de flujo de salida 38 y la apertura de valvula 14e para purgar el gas, la apertura de valvula 14f para recoger el desbordamiento de lfquido en una lfnea de desbordamiento 70.

En una realizacion en particular, el dispositivo de alimentacion 4 puede comprender ademas otras lfneas de alimentacion 24a en comunicacion fluida con orificios de alimentacion adicionales (por ejemplo, 13a, 13b, 13c, 13d) a traves de la apertura de una valvula correspondiente (Figura 2B). Estas lfneas de alimentacion 24a adicionales estan configuradas para introducir mas material de alimentacion de cultivo tal como medio de cultivo (por ejemplo, agua) y nutrientes (por ejemplo, nitrogeno, por ejemplo, en forma de nitratos, sales y minerales) y la biomasa de fotosfntesis en la zona de cultivo 8. Las valvulas correspondientes estan configuradas para su accionamiento por el impulsor de valvula de multiples orificios 34 desde la unidad de control de retroalimentacion 6.

En el fotobiorreactor de la invencion puede cultivarse cualquier microorganismo de fotosfntesis adecuado. Por ejemplo, un fotobiorreactor segun la invencion es adecuado para cultivar microorganismos acuosos, en particular un biocultivo de fotosfntesis, en particular microalgas (por ejemplo, Viridaeplantae (Chlorella, Chlorophycophyta), Chrysophycophyta (algas doradas), Rodophyta (algas rojas), Stramenopiles (diatomeas y algas, de la familia Bacillariophyceae, algas marrones Phaecophytophyta), procariotas fotosinteticos como Cynobacteria, eucariotas fotosinteticos excluyendo la familia Charales, Spirulina, Nanochloropsis, Prorocentrum minimum), en gran escala en flujo continuo, semicontinuo (por ejemplo, pulsado) o en modo por lotes.

Un fotobiorreactor segun la invencion tambien es adecuado para cultivar las especies de algas mas comunes usadas en acuocultivos como por ejemplo Isochrysis affinis galbana, Chatetoceros gracillis, Chaetoceros calcitrans, Tetraselmis suesica, Thalassiosira pseudonana, Pavlova lutheri, Isochrysis galbana, Nannochloropsys y otras especies tales como: especies marinas como Fragilaria sublinearis, Cylotella nana, Pavlova gyrens, Monochrysis lutheri, Prymnesium paruum y Nitzschia palea y especies de agua dulce: Cyclotella spp, Scenedesmus spp, Navicula spp, Nitzschya spp, Chlamydomonas reinhardtii.

Los ejemplos de microorganismos de fotosfntesis adicionales que pueden cultivarse ventajosamente en un fotobiorreactor segun la invencion son tejidos vegetales y organismos monocelulares que contienen cloroplastos, bacterias y algas de fotosfntesis tales como los descritos en Gudin y col., 1986, "Bioconversion of solar energy in organic chemicals by microalgae" en Advances in Biotechnological processes 6, pag. 73-110.

En una realizacion en particular, se usa un fotobiorreactor segun la invencion para la produccion de celulas fotoautotrofas, entre cuyos ejemplos se incluyen Chlorella, Scenedemus, Chlamydononas y Cyanobacteria.

En otra realizacion, las celulas cultivadas en un fotobiorreactor segun la invencion incluyen aquellas cuyo genoma ha sido modificado por tecnicas de ingenierfa genetica con el fin de producir metabolitos especfficos, o de mejorar la

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

fijacion de CO2, o de mejorar otros parametros de funcionamiento.

En una realizacion en particular, las algas con tiempo de duplicacion breve (por ejemplo, de 1 a 4 horas), alto contenido de lfpidos (por ejemplo, >70%), resistencia al esfuerzo de cizalla son especies ventajosas para cultivo de biomasa de fotosfntesis cuando se consideran el rendimiento de la biomasa y el rendimiento del combustible de biomasa como objetivos operativos.

La eleccion del cultivo de celulas de fotosfntesis dependera de los objetivos operativos tales como el rendimiento, la naturaleza de los metabolitos y los polisacaridos secretados y/o excretados desde los microorganismos (Metting y col., 1986, Enzyme Microbiol. Technol., 8, pp. 386-394). Los valores optimos usados para pH, temperatura, nutriente, concentraciones de CO2 y O2, ciclo de iluminacion, intensidad y longitudes de onda variaran dependiendo de la cepa especffica del microorganismo, la naturaleza de los metabolitos y polisacaridos que se espera que sean secretados y/o excretados desde estos microorganismos y la fase del ciclo de crecimiento de estos microorganismos. Estos valores pueden ser determinados por un experto en la materia.

Segun un aspecto, un fotobiorreactor segun la invencion permite la recogida continua o semicontinua de un cultivo ademas de la recogida por lotes realizada en los sistemas de fotobiorreactores conocidos, mejorando asf el rendimiento global de la planta de produccion (rendimiento de produccion y tasas de produccion). Ademas, un fotobiorreactor o un procedimiento segun la invencion permite controlar ventajosamente el tiempo de residencia del microorganismo dentro de la zona de concentracion de cultivo 18 a traves del control de retroalimentacion del sistema de regulacion del flujo 3 por la unidad de control de retroalimentacion 6, la eficiencia de iluminacion dentro de esta zona mediante el control de los flujos de cultivo (alimentacion/concentracion/recogida/recirculacion) y los ciclos de iluminacion de las fuentes luminosas 30 a traves del control de retroalimentacion del sistema de iluminacion 5, el sistema de alimentacion 4 y el sistema de recogida 7 por la unidad de control de retroalimentacion 6 y el tiempo de residencia, la concentracion y el flujo del nutriente gaseoso (y con ello del pH) dentro de la zona de concentracion de cultivo 18 a traves del control de retroalimentacion del sistema de alimentacion de gas 12 por medio de la unidad de control de retroalimentacion 6.

En una realizacion en particular, el sistema de regulacion de temperatura esta configurado de manera que regule la temperatura del medio de cultivo en la parte de camara de cultivo 8 entre aproximadamente 16 y aproximadamente 60°C, dependiendo de la especie que se cultivara, normalmente entre aproximadamente 29 y 32°C.

En una realizacion en particular, la unidad de control de retroalimentacion 6 esta configurada de manera que mantenga el pH del medio de cultivo en la parte de camara de cultivo 8 entre aproximadamente 7,5 y aproximadamente 9,5 en agua dulce, normalmente entre aproximadamente 6,0 y aproximadamente 7,5 en agua salada.

El fotobiorreactor segun la invencion ventajosamente permite optimizar el proceso de iluminacion proporcionando una exposicion luminosa apropiada a la biomasa de cultivo en las frecuencias e intensidad correctas y durante el tiempo correcto (solo el tiempo necesario para que tenga lugar el proceso de la fotosfntesis ya que la biomasa de fotosfntesis no puede usar luz mientras esta absorbiendo y fijando el carbono como parte de su proceso metabolico), evitando asf la fotoinhibicion y/o el desperdicio de energfa de fotosfntesis incidente (saturacion de luz).

Ademas, la recogida continua o semicontinua desde un fotobiorreactor segun la invencion permite mantener un fotobiorreactor en condiciones de cultivo optimas para una fase especffica del ciclo de vida de un microorganismo y ofrece la posibilidad de optimizar las plantas de produccion cuando estas plantas comprendan mas de un fotobiorreactor segun la invencion.

En un ejemplo, una planta puede comprender mas de un fotobiorreactor segun la invencion para cultivar microorganismos en serie tal como se muestra en la Figura 5A. En esta variante, cada fotobiorreactor mantiene ventajosamente los microorganismos en una fase especffica y diferente del ciclo de vida (por ejemplo, crecimiento, division) en su zona de concentracion de cultivo 18 a traves del control de las condiciones de cultivo especfficas correspondientes mediante una unidad de control de retroalimentacion 6. El cultivo de microorganismos se recoge a traves de una lfnea de flujo de salida 38 desde un primer fotobiorreactor R1 en una fase de desarrollo especffica de un microorganismo (por ejemplo, division) y a continuacion se suministra a una lfnea de alimentacion superior 24 desde un segundo fotobiorreactor R2. A continuacion, el cultivo de microorganismos se lleva a una fase de desarrollo posterior de un microorganismo (por ejemplo, crecimiento, madurez) a traves del ajuste de las condiciones de cultivo especfficas correspondientes mediante la unidad de control de retroalimentacion 6 del segundo fotobiorreactor y despues se recoge a traves de una lfnea de flujo de salida 38 desde dicho segundo fotobiorreactor y a continuacion se suministra en un fotobiorreactor adicional para alcanzar una fase de desarrollo posterior o para la byconversion o para el procesamiento directo de algas en bruto o de comida generada para alimentar a las gambas, por ejemplo.

En otro ejemplo, una planta puede comprender al menos un fotobiorreactor segun la invencion para desarrollar microorganismos y al menos un biorreactor para la byconversion de dichos microorganismos (liberacion de al menos una sustancia seleccionada entre acidos nucleicos, protefnas, hidratos de carbono (por ejemplo, azucares) y lfpidos (por ejemplo, aceites o acidos grasos) a partir de los microorganismos maduros), estando estos biorreactores

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

dispuestos en serie tal como se muestra en la Figura 5B. El cultivo recogido de una linea de flujo de salida 38 desde el fotobiorreactor de cultivo R1 se envfa a continuacion corriente abajo a las secciones de procesamiento de la planta. Por ejemplo, el cultivo recogido de una linea de flujo de salida 38 desde el fotobiorreactor de cultivo R1 se suministra en la linea de alimentacion 24a de al menos un biorreactor R2 para la bioconversion (que puede ser un fotobiorreactor segun la invencion o un [biojreactor convencional). En el caso de una pluralidad de biorreactores para bioconversion pueden disponerse en paralelo (R2 y R3).

La bioconversion se produce al someter el medio de cultivo a una cierta tension, por ejemplo una tension termica mediante inactivacion del medio de cultivo por enfriamiento por debajo de una temperatura dada (normalmente, se usan temperaturas entre aproximadamente 4°C y aproximadamente 15°C para provocar la bioconversion de lfpidos no saturados contenidos en las celulas), o tension energetica a traves de la modulacion de la intensidad luminosa y/o la longitud de onda y/o el tiempo de exposicion, o ambas. Estos cambios pueden monitorizarse por ejemplo mediante el dispositivo de control 37.

El material resultante de la byconversion puede excretarse desde la celula o permanecer como un producto intracelular. En cualquier caso, debe recogerse y procesarse adicionalmente hasta su forma final tal como se menciona anteriormente.

La primera etapa en el procesamiento corriente abajo desde el reactor de byconversion consiste en separar los organismos de su disolvente (agua en caso de solucion acuosa). Esta tarea se realiza normalmente mediante centrffugas tradicionales, de forma continua o en lotes. El agua se recoge y se hace recircular a traves de un deposito en el que se preparan las soluciones de alimentacion.

Para liberar los productos intracelulares se necesita romper las paredes de las celulas. A continuacion, puede suministrarse la solucion que contiene las celulas sometidas a tension a un aparato segun el estado de la tecnica tal como una trituradora mecanica, una trituradora por ultrasonidos o cualquier otra tecnologfa existente apropiada. A continuacion, pueden separarse los productos de interes de los desechos celulares exponiendo la "suspension espesa" que comprende dichos desechos celulares descargados de las trituradoras mediante tecnologfas de separacion segun el estado de la tecnica tales como decantacion, floculacion, filtracion, dependiendo de las propiedades fisicoqufmicas respectivas de los componentes que deben separarse.

En algunos casos la biomasa simplemente se separa del agua, se seca y despues se sedimenta en forma de granulos que contienen energfa.

En una disposicion en particular, la planta comprende al menos un fotobiorreactor segun la invencion para desarrollar microorganismos y mas de un fotobiorreactor para la byconversion, estando el o los biorreactores de cultivo y el o los biorreactores de byconversion dispuestos en serie y en los que los fotobiorreactores para la byconversion estan dispuestos en paralelo entre si. En cada fotobiorreactor para la byconversion se suministra una parte del material recogido desde una linea de flujo de salida 38 a partir de dicho al menos un fotobiorreactor de cultivo.

El funcionamiento de esta disposicion en serie en modo continuo o semicontinuo mejora el rendimiento global del sistema del fotobiorreactor al optimizar las condiciones de cultivo para cada fase de desarrollo y al proporcionar de modo continuo un material maduro para su procesamiento adicional.

En una disposicion alternativa en serie, una planta puede comprender mas de un fotobiorreactor segun la invencion para cultivar microorganismos en serie en el que cada fotobiorreactor mantiene los microorganismos en una fase especffica del ciclo de vida (la misma o diferente) y en el que el dioxido de carbono purgado a traves del orificio de ventilacion 51 desde el primer fotobiorreactor es suministrado a una parte de camara de alimentacion de gas 60 del mismo fotobiorreactor o de otro adicional a traves del orificio de alimentacion inferior 15. El funcionamiento de esta disposicion en serie en modo continuo o semicontinuo mejora el rendimiento global del sistema de biorreactores al optimizar la eficacia de conversion de la alimentacion CO2 y reducir el flujo de salida global de CO2 desde la planta de produccion.

Segun una realizacion, el O2 producido purgado a traves del orificio de ventilacion 51 es capturado y reciclado ventajosamente por ejemplo en quemadores de oxicombustion (por ejemplo, oxicombustion de carbon en centrales electricas) para reducir mas las emisiones de CO2, o corriente arriba en una unidad de preparacion de alimentacion de gas para eliminar los toxicos de la alimentacion de gas.

Segun otro aspecto, la invencion proporciona una planta para el desarrollo y/o byconversion de la biomasa de fotosfntesis que comprende al menos un fotobiorreactor segun la invencion.

Segun otro aspecto, la invencion proporciona un procedimiento para desarrollar biomasa de fotosfntesis en un modo continuo o semicontinuo que comprende:

(i) suministro de un cultivo de fotosfntesis en un medio de cultivo acuoso en una parte de camara de cultivo regulada

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

por temperatura;

(ii) alimentacion del cultivo de fotosfntesis con nutrientes;

(iii) mezcla y concentracion de dicho cultivo de fotosfntesis en una zona de concentracion de cultivo desde dicha parte de camara de cultivo;

(iv) suministro homogeneo de nutriente gaseoso al medio de cultivo de fotosfntesis;

(v) suministro homogeneo de una exposicion luminosa controlada a dicho cultivo de fotosfntesis en la zona de concentracion desde el interior del medio de cultivo;

(vi) recogida continua o semicontinua de una biomasa desde dicho cultivo de fotosfntesis.

En una realizacion adicional, la invencion proporciona un procedimiento segun la invencion en el que el nutriente gaseoso es proporcionado al medio de cultivo de fotosfntesis dentro de la zona de concentracion de cultivo desde dicha parte de camara de cultivo.

En una realizacion adicional, la invencion proporciona un procedimiento segun la invencion en el que la recogida de la biomasa se realiza en o en la parte inferior de la zona de concentracion de cultivo desde dicha parte de camara de cultivo.

En una realizacion adicional, la invencion proporciona un procedimiento segun la invencion en el que la exposicion luminosa homogenea controlada proporcionada en la etapa (v) se consigue proporcionando dentro de la zona de concentracion de cultivo un sistema de iluminacion controlado que comprende un soporte de fuente luminosa montado en un soporte rotatorio que tiene un eje de rotacion esencialmente paralelo al eje de la parte de camara de cultivo y que comprende una pluralidad de fuentes luminosas.

En una realizacion adicional, la invencion proporciona un procedimiento segun la invencion en el que la provision homogenea de nutriente gaseoso al medio de cultivo de fotosfntesis en la etapa (vi) se consigue proporcionando a la zona de concentracion de cultivo un sistema de alimentacion de gas controlado que comprende una plataforma de distribucion de burbujas de gas que comprende una entrada de gas formada por pasos de gas y un regulador de flujo de gas.

En una realizacion adicional, la invencion proporciona un procedimiento segun la invencion en el que el procedimiento comprende una etapa adicional (vii) de supervision independientemente de un valor representativo de al menos un parametro del medio de cultivo seleccionado entre temperatura, pH, presion del gas, concentracion de nutrientes, densidad de las celulas y tamano de las celulas y una etapa (viii) adicional de comparacion de dicho valor representativo con un valor de referencia predeterminado y una etapa (ix) adicional de ajuste de al menos un parametro del medio de cultivo seleccionado entre temperatura, pH, flujo de gas, presion, concentracion de nutrientes, iluminacion (longitud de onda, intensidad, tiempo de iluminacion, ciclo de iluminacion), flujos de alimentacion, concentracion y recogida basandose en el resultado de dicha comparacion.

Lista de elementos referidos en las figuras

Biorreactor de flujo continuo

2 Receptaculo (hermetico, esencialmente cilfndrico)

58 Camara interior

8 Parte de camara de cultivo

18 Zona de concentracion de cultivo

19 Zona de recogida de cultivo 43 Zona de recogida de gas

60 Parte de camara de alimentacion de gas 59 Paredes (59a lateral, 59b inferior, 59c superior)

13 Orificio de alimentacion superior 14a valvula

15 Orificio de alimentacion inferior

14d valvula

16 Orificio de control

14b valvula

17 Orificio de flujo de salida

14c valvula 51 Orificio de ventilacion 14e valvula

54 Salida de desbordamiento 14f valvula

9 Sistema de regulacion de temperatura

10 Elemento de deteccion de temperatura 61 Organo de calentamiento/enfriamiento

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

46 Envoltura interna

71 orificio de entrada de fluido termico

72 orificio de salida de fluido termico

12 Sistema de alimentacion de gas

21 Plataforma de distribucion de burbujas de gas 40 Entrada de gas

41 Pasos de gas 45 Regulador de flujo de gas

28a soporte rotatorio 57a Impulsor

22 Dispositivo de regulacion de la presion de gas

3 Sistema de regulacion de flujo

23 Entidad de mezcla y concentracion de cultivo

47 Dispositivo de propulsion de flujo que dirige la biomasa 44 Palas

28b Soporte rotatorio

57b Impulsor

4 Dispositivo de alimentacion

24 Lfnea de alimentacion superior

35 Valvula de multiples orificios 54a Bomba

25 Lfnea de alimentacion inferior

54b Bomba

5 Sistema de iluminacion

26 Dispositivo de soporte de fuente luminosa

29 Soporte de fuente luminosa

30 Fuente luminosa

27 Unidad de control de luz 28c Soporte rotatorio

57c Impulsor

6 Unidad de control de retroalimentacion

31 Unidad de recogida de muestras 42 Bomba 32 Lfnea de control

33 Analizador de muestras

50 Sensores

51 Sistema de adquisicion de datos por ordenador

34 Impulsor de valvula de multiples orificios

36 Lfnea de reinyeccion de muestra

37 Dispositivo de control

7 Sistema de recogida

38 lfnea de flujo de salida

54c Bomba

56 Deposito de recogida

67 Sistema colector de gas

68 Lfnea de gas de purga 69 Sistema colector de desbordamiento

70 Lfnea de desbordamiento 53 Sensor de desbordamiento

Claims (15)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   55

   60

   65

   REIVINDICACIONES

   1. Fotobiorreactor para cultivo en flujo continuo o semicontinuo de biomasa de fotosfntesis, incluyendo el fotobiorreactor un receptaculo (2) que define una camara interior (58) que comprende una parte de camara de cultivo (8) y una parte de camara de alimentacion de gas (60), un sistema de regulacion de temperatura (9), un sistema de regulacion de flujo (3) que comprende una entidad de mezcla y concentracion de cultivo (23) que comprende un dispositivo de propulsion de flujo que dirige la biomasa (47) y un sistema de iluminacion (5), comprendiendo la parte de camara de cultivo una zona de concentracion de cultivo (18) y una zona de recogida de cultivo (19), estando el sistema de regulacion de temperatura, el sistema de regulacion de flujo en la parte de camara de cultivo, el sistema de iluminacion en la zona de concentracion de cultivo y el dispositivo de propulsion de flujo que dirige la biomasa generando un flujo vertical de medio de cultivo contenido en el receptaculo de manera que la biomasa se concentra en la zona de concentracion de cultivo.
2. 2. Un fotobiorreactor segun la reivindicacion 1 que comprende ademas un sistema de alimentacion de gas (12), un dispositivo de alimentacion (4) y un sistema de recogida (7).
3. 3. Un fotobiorreactor segun las reivindicaciones 1 o 2 que comprende ademas una unidad de control de retroalimentacion (6).
4. 4. Un fotobiorreactor segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 en el que el sistema de iluminacion (5) comprende un dispositivo de soporte de fuente luminosa (26), una unidad de control de luz (27) y un soporte rotatorio (28c) que tiene un impulsor (57c).
5. 5. Un fotobiorreactor segun la reivindicacion 4 en el que el dispositivo de soporte de fuente luminosa (26) comprende al menos un soporte de fuente luminosa (29) y una pluralidad de fuentes luminosas (30) montadas en el soporte de fuente luminosa de manera que las fuentes luminosas estan dispuestas esencialmente en paralelo al eje del fotobiorreactor y estan distribuidas de forma sustancialmente uniforme en la zona de concentracion de cultivo (18).
6. 6. Un fotobiorreactor segun la reivindicacion 5 en el que las fuentes luminosas (30) estan separadas en la zona de concentracion de cultivo (18) a una distancia que es inferior o igual a la distancia mas alla de la cual la energfa de fotosfntesis de la fuente luminosa es suficiente para generar fotosfntesis efectiva (Dmax).
7. 7. Un fotobiorreactor segun la reivindicacion 5 en el que las fuentes luminosas (30) estan separadas en un plano perpendicular al eje del fotobiorreactor de manera que el elemento de volumen dentro de la zona de concentracion de cultivo (18) recibe esencialmente la misma duracion de iluminacion e intensidad independientemente de su distancia desde el eje de rotacion del sistema de iluminacion (5).
8. 8. Un fotobiorreactor segun una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7 en el que el sistema de alimentacion de gas (12) comprende una plataforma de distribucion de burbujas de gas (21) que comprende una entrada de gas (40) y un dispositivo de regulacion de la presion de gas (22).
9. 9. Un fotobiorreactor segun la reivindicacion 8 en el que la entrada de gas comprende pasos de gas (41) y un regulador de flujo de gas (45).
10. 10. Un fotobiorreactor segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 en el que el dispositivo de propulsion de flujo que dirige la biomasa (47) comprende palas (44) montadas en un soporte rotatorio (28b) que tiene un impulsor (57b).
11. 11. Un fotobiorreactor segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que la camara interior (58) esta confinada por un receptaculo de biorreactor (59) que comprende paredes laterales, inferior y superior (59a), (59b), (59c) conectadas con al menos un orificio de alimentacion superior (13) que puede cerrarse mediante una valvula (14a), al menos un orificio de alimentacion inferior (15) que puede cerrarse mediante una valvula (14d) en comunicacion fluida con la parte de camara de alimentacion de gas (60) y al menos un orificio de flujo de salida (17) a la altura de la zona de recogida de cultivo (19) y que puede cerrarse mediante una valvula (14c) y en el que las paredes (59a) o (59c) en la parte superior del receptaculo (2), en la zona de recogida de gas (43) sobre la superficie del medio lfquido en la parte de camara de cultivo (8) comprenden ademas un orificio de ventilacion (51) en comunicacion fluida con el exterior del fotobiorreactor a traves de la apertura de una valvula (14e).
12. 12. Un fotobiorreactor segun una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 11 en el que la unidad de control

    de retroalimentacion (6) comprende una unidad de recogida de muestras (31), un analizador de muestras (33) y un dispositivo de control (37).
13. 13. Un fotobiorreactor segun la reivindicacion 12 en el que el analizador de muestras (33) comprende al

    menos un sensor (50) para analizar la muestra de cultivo y un sistema de adquisicion por ordenador (51').
14. 14. Una planta de produccion que comprende al menos un fotobiorreactor segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.
15. 15. Un procedimiento para desarrollar biomasa de fotosfntesis en un modo continuo o semicontinuo 5 usando el fotobiorreactor segun la reivindicacion 1 que comprende:

    (i) suministro de un cultivo de fotosfntesis en un medio de cultivo acuoso en una parte de camara de cultivo con regulacion de temperatura;

    (ii) alimentacion del cultivo de fotosfntesis con nutrientes;

    10 (iii) mezcla y concentracion de dicho cultivo de fotosfntesis en una zona de concentracion de cultivo desde dicha parte de camara de cultivo;

    (iv) suministro homogeneo de nutriente gaseoso al medio de cultivo de fotosfntesis;

    (v) suministro homogeneo de una exposicion luminosa controlada a dicho cultivo de fotosfntesis en la zona de concentracion desde el interior del medio de cultivo;

    15 (vi) recogida continua o semicontinua de una biomasa desde dicho cultivo de fotosfntesis.