ES2711101T3 - Sección de perfil para el cultivo de organismos fotosintéticos bajo condiciones controladas - Google Patents

Abstract

Sistema (14) para la producción de organismos fotosintéticos bajo condiciones controladas, que comprenden: - al menos un aparato (16) para exponer líquidos de cultivo a la luz solar, constituido por al menos un panel alveolar (1), hecho de un material plástico transparente, en particular policarbonato, provisto de al menos un elemento de sellado y conexión a prueba de líquidos (3) y con paredes adaptadas para acoplarse con las paredes de uno de los canales respectivos (5) con los que está equipado dicho panel alveolar (1), sellando y conectando cada uno de dichos líquidos elementos herméticos y elementos de conexión (3) que comprenden, además, al menos una parte (7) adaptada para ser acoplada de manera operativa y a los líquidos con una parte respectiva (7) con la cual otro elemento de sellado y conexión hermético a líquidos (3) está equipado, con el fin de hacer un circuito hidráulico presurizado a prueba de líquidos entre al menos dos canales (5) de dicho panel alveolar (1); - al menos un aparato de transporte de líquido (18) conectado operativamente a dicho aparato (16); y - al menos un aparato de alimentación de nutrientes (20) conectados racionalmente a dicho aparato (16) para exponer líquidos de cultivo a la luz solar y a dicho aparato de transporte de líquido (18).

Description

DESCRIPCION

Seccion de perfil para el cultivo de organismos fotosinteticos bajo condiciones controladas

[0001] La presente invencion se refiere a una seccion de perfil, en particular un panel alveolar, equipado con sistemas de sellado para hacer un circuito hidraulico presurizado, preferiblemente utilizable para el cultivo de organismos fotosinteticos en condiciones controladas.

[0002] La descripcion que sigue se refiere al caso especial, y preferible, de una seccion de perfil hecha como un

panel aleylar, pero esta claro que la presente invencion es aplicable a cualquier tipo de seccion de perfil adecuada

para el proposito de que la la invencion se pretende lograr.

[0003] La principal tecnologfa utilizada para la produccion de este tipo de elemento alveolar es la extrusion de varios

tipos de materiales plasticos. Este tipo de estructura alveolar se utiliza principalmente en el sector de la construccion, donde se utiliza como elemento de aislamiento termico y de techos. El mecanismo de aislamiento termico se basa

en la posibilidad de atrapar volumenes dados o aire dentro de las camaras alveolares del panel, por lo que muchos productos se encuentran en el mercado con diferentes geometnas y tamanos de camara. Se describe un intento de

utilizar paneles alveolares como un fotobiorreactor cerrado en "Closed photobioreactor assessments to grow, intensively, light dependent micro- organisms: a twenty-year Italian outdoor investigation" asignada a Pietro Carlozzi en The Open Biotechnology Journal 2008, Volumen 2.

[0004] El objeto de la presente invencion es, por lo tanto, el de proporcionar un sistema que permita hacer un

circuito hidraulico dentro de un panel alveolar. Este sistema genera el sello hidraulico con las secciones internas del panel, que pueden explotarse para crear un serpentm u otro tipo de circuito hidraulico, cuando sea necesario, o para

crear una conexion entre diferentes paneles.

[0005] Los objetos y ventajas mencionados anteriormente y otros de la invencion, como se deducira de la siguiente descripcion, se logran con una seccion de perfil como la descrita en la reivindicacion 1 y con un sistema equipado

con dicha seccion de perfil.

[0006] Las realizaciones preferidas y las variantes no obvias forman el objeto de las reivindicaciones dependientes.

[0007] Aparecera inmediatamente obvio que innumerables cambios y modificaciones (por ejemplo, con respecto a la

forma, el tamano y la disposicion y las partes funcionalmente equivalentes) pueden hacerse a lo descrito sin apartarse del alcance de la proteccion de la invencion como se revela en las reivindicaciones adjuntas.

[0008] La presente invencion se describira mejor mediante algunas realizaciones preferidas, proporcionadas a modo

de ejemplo no limitativo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

- La Figura 1 muestra un modelo representativo del sistema de sellado para las paredes del panel;

- La Figura 2 muestra un modelo representativo del sistema de sellado para las paredes del panel en uso;

- La Figura 3 muestra una representacion de los elementos modulares para hacer un circuito hidraulico dentro del panel.

el;

- Las Figuras 4 y 5 muestran una representacion de los pasos de montaje de los elementos modulares para

hacer un circuito hidraulico dentro del panel;

- La Figura 6 muestra una representacion del circuito hidraulico sellado obtenido al conectar los canales del panel alveolar por medio de los sistemas de sellado especialmente provistos;

- La Figura 7 muestra una representacion del circuito hidraulico sellado obtenido al conectar los canales del panel alveolar mediante un sistema de sellado alternativo. y

- La Figura 8 muestra un metodo para la produccion de organismos en un ambiente controlado mediante el uso

de circuitos hidraulicos sellados derivados de los paneles alveolares hechos de un material plastico transparente

y los sistemas de sellado provistos especialmente.

[0009] Con referencia a las figuras, el sistema que forma el objeto de la presente invencion permite la circulacion de

lfquidos presurizados dentro de una seccion de perfil, en particular un panel alveolar, 1. Para este fin, el panel alveolar 1 es hecho de un material plastico transparente, en particular policarbonato, y esta provisto de al menos un elemento de sellado y conexion 3 a prueba de lfquidos para aplicar a las paredes del panel 1 para hacer un circuito hidraulico presurizado dentro de los canales 5 con el cual esta equipado el panel 1. Por ejemplo, en las figuras, el elemento de sellado y conexion 3 esta hecho con una forma sustancialmente similar a una caja, con un labio de

sellado 4 contra el canal respectivo 5 en el que se inserta este elemento 3; naturalmente, el elemento de sellado y conexion 3 puede ser de cualquier forma, dependiendo de la forma del canal 5 que se pretende sellar y conectar.

[0010] De esta manera, el sistema permite que se realice un circuito hidraulico dentro del panel alveolar 1. De

hecho, el sistema crea el sello hidraulico con los canales o sectores internos 5 del panel 1, que pueden explotarse

para crear un serpentm u otro tipo de circuito hidraulico si fuera necesario, o para crear una conexion entre diferentes paneles 1.

[0011] Este concepto esta representado en las Figuras 1 y 2.

[0012] Se puede aplicar una solucion para crear una serpentina a este concepto mediante la explotacion de los canales del panel alveolar para crear un circuito continuo dentro del panel.

[0013] Una o mas partes (como la parte 7 en las Figuras 3, 4 y 5, por ejemplo), que juntas pueden formar un canal curvo y asf obtener la conexion entre dos o mas canales 5 del panel 1, se utilizan para obtener este circuito.

[0014] El principio constructivo de este sistema se esquematiza en las Figuras 3, 4, 5, 6 y 7 a modo de ejemplos, que no son exhaustivos.

[0015] Para asegurar el sellado entre las dos partes del mecanismo de sellado y conexion 3, las dos partes 7 estan acopladas entre sf por medio de una geometna particular, o haciendo uso de otras partes del sello (Figura 3 y Figura 4)

[0016] Una vez que los componentes 3 y 7 se acoplan entre sf, estas partes se ajustan al panel (Figura 5), colocando asf los dos canales 5 del panel en comunicacion, como se muestra en las Figuras 6 y 7.

[0017] Estas partes se han concebido y fabricado utilizando polfmeros plasticos, con molduras transparentes y coloreadas.

[0018] El sistema esquematizado en el presente documento se puede aplicar a las diversas secciones de los paneles alveolares 1.

[0019] Con este sistema del panel 1 - componentes 3 y/o 7, es posible hacer un sistema 14 para la produccion de organismos fotosinteticos en condiciones controladas, a su vez compuesto por una serie de principales protocolos:

• al menos un aparato 16 para exponer lfquidos de cultivo a la luz solar;

• al menos un aparato de transporte de lfquido 18 conectado operativamente al aparato 16; y

• al menos un aparato de alimentacion de nutrientes 20 conectado operativamente a los aparatos 16 y 18.

[0020] Ademas, el sistema 14 mencionado anteriormente esta constituido por una serie de aparatos secundarios:

• al menos un aparato de distribucion de lfquido 24, que conecta operativamente los aparatos 16, 18 y 20; • al menos un aparato de desgasificacion 26 conectado operativamente a los aparatos 16 y 20;

• al menos un aparato de inoculacion 28 para sustancias gaseosas, conectado operativamente a los aparatos 16 y 18 a traves del aparato 24;

• al menos un aparato de control y gestion 32 para los parametros de produccion del sistema 14;

• al menos un aparato de recoleccion 34 conectado aguas abajo del aparato 18; y

• al menos un aparato de carga 36 del sistema 14 conectado corriente arriba del aparato 18.

[0021] El aparato 16 para exponer los lfquidos de cultivo a la luz solar esta formado por el sistema compuesto por el panel 1 de aluminio en un material plastico transparente y por al menos uno de los elementos 3 de sellado y conexion descritos anteriormente.

[0022] Durante el paso a traves de este aparato 16, los organismos fotosinteticos (no mostrados) siguen las rutas obtenidas mediante el uso de los elementos de sellado y conexion 3 entre un canal alveolar 5 y el siguiente. Durante su paso, son irradiados por la luz del exterior, absorbiendo la energfa necesaria para que tengan lugar las reacciones qmmicas internas, indispensables para absorber el dioxido de carbono y su posterior transformacion en otros tipos de moleculas. Estos ultimos son indispensables para la correcta nutricion de los organismos fotosinteticos.

[0023] La posibilidad de preparar circuitos compuestos de un numero sustancial de canales 5 permite que las algas se expongan a la luz durante una cantidad significativa de tiempo. En consecuencia, la cantidad de luz que son capaces de recibir las algas se maximiza para cada ciclo completo de paso a traves del sistema para la produccion de organismos fotosinteticos en condiciones controladas.

[0024] Ademas, el aparato de transporte de lfquido 18 es necesario porque este transporte sirve para asegurar que toda la poblacion de organismos reciba la misma exposicion solar, el acceso correcto y constante a las fuentes de alimentacion y la remezcla efectiva de los lfquidos, para permitir tener el rango de gradiente mas pequeno posible para los diversos parametros en todas partes dentro del sistema 14.

[0025] Ademas, la velocidad de circulacion correcta de los lfquidos de cultivo dentro del sistema 14 para la produccion de organismos en un ambiente controlado reduce el riesgo de que los organismos se adhieran a las superficies de las paredes de los aparatos de exposicion solar 16 y reduce el riesgo de varios tipos de aglomerados formadores. La adhesion de organismos a las superficies de las paredes de los canales 5 da como resultado una reduccion en la cantidad de luz disponible para el cultivo y requiere una posterior limpieza mecanica y/o qmmica de los canales 5; estos fenomenos de adhesion y la formacion de aglomerados y las consiguientes operaciones de limpieza pueden reducirse significativamente al elegir la velocidad correcta para el lfquido de acuerdo con los organismos que se cultivan.

[0026] La garantfa de que todo el lfquido de cultivo circula periodicamente dentro de todos los aparatos del sistema 14 permite que todos los tratamientos necesarios se realicen con todo el lfquido de cultivo contenido en el sistema 14.

[0027] Las bombas (no mostradas) para el transporte de los lfquidos se eligen de acuerdo con la cantidad de lfquido que se debe transportar y el tipo de bomba utilizada es bastante importante. La eleccion debe hacerse con el objetivo de no danar las celulas cuando la velocidad establecida para el lfquido sea significativa. Por estas razones, la eleccion de las bombas no se realiza solo en funcion de su eficiencia mecanica o volumetrica, sino que tambien garantiza que el sistema de transferencia de energfa al lfquido no cause un dano excesivo a las celulas. La eleccion correcta de los sistemas de transporte de lfquidos 18 tambien permite una reduccion en el consumo de energfa relacionada con la circulacion de los lfquidos dentro del sistema 14.

[0028] El aparato de alimentacion de nutrientes 20 es fundamental para permitir que los organismos reciban todas las sustancias 21 necesarias para sus necesidades fisiologicas. Este aparato puede tener diferentes tipos de estructura, que deben evaluarse de acuerdo con las necesidades que deben cumplirse.

[0029] Para los cultivos en los que las sustancias nutritivas necesarias se disuelven completamente en el lfquido de cultivo, en un paso temporal previo al de la alimentacion en la planta, las cantidades de nutrientes normalmente son suficientes para todo el penodo de el cultivo sin necesidad de reposicion es necesario; en estos casos, el aparato de alimentacion de nutrientes 20 se utiliza para llenar la planta con lfquido fresco para el cultivo despues de la etapa de vaciado y recoleccion en algunos sectores del sistema 14.

[0030] Cuando los cultivos requieren una reposicion periodica u ocasional de las sustancias necesarias para el crecimiento y la conservacion de las celulas, este aparato 20 tambien se puede usar para agregar las sustancias necesarias.

[0031] El aparato 20 tambien permite que los nutrientes se integren con las sustancias organicas 22 que provienen de los desechos de las explotaciones ganaderas, los residuos de los procesos de digestion anaerobica 23 u otros tipos de productos de desecho que provienen del procesamiento industrial o el cultivo agncola. La fraccion lfquida puede agregarse directamente al aparato de alimentacion 20 y mezclarse adecuadamente antes de entrar en circulacion dentro de la planta.

[0032] El aparato de distribucion de lfquido 24 tiene la funcion de conectar los diversos aparatos que forman el sistema 14 entre sf y permitir la circulacion completa de los lfquidos dentro de todos los aparatos, necesarios para cultivar los organismos en la mejor manera posible.

[0033] Para mejorar la eficiencia del sistema 14, la distribucion de los lfquidos puede llevarse a cabo utilizando tubos hechos de un material plastico (no mostrado). Las principales caractensticas asociadas con este tipo de tubena son la flexibilidad y la transparencia. La flexibilidad de los elementos de conexion entre los diversos aparatos del sistema 14 permite una conexion mas simple y, en segundo lugar, reduce las perdidas de cabezales debido a los repentinos cambios de direccion que se producinan con el uso de materiales mas ngidos. En cambio, la posibilidad de usar materiales transparentes permite que se prolongue el tiempo de exposicion solar por ciclo de flujo de lfquido dentro del sistema 14; con esta solucion, los organismos contenidos en el lfquido de cultivo pueden recibir la energfa necesaria para sus funciones metabolicas no solo durante el penodo de tiempo utilizado para fluir a traves de los aparatos de exposicion a la luz del sol 16, sino tambien durante todos los penodos de tiempo. necesario para la transferencia de un aparato a otro. Ademas de una ventaja en terminos de la cantidad de luz que irradia los organismos por ciclo de flujo de la planta, con esta solucion tecnica hay una reduccion en las alternaciones de luz/sombra a las que estan sometidos los organismos y que en ciertos casos puede conllevar estres fisiologico, dando como resultado una reduccion de la productividad. En los sistemas a gran escala 14, y por lo tanto con segmentos de conexion de una longitud considerable entre los aparatos, se encuentra que esta solucion tiene un efecto significativo, mientras que en los sistemas de menor tamano 14, la opcion tambien puede favorecer materiales que no sean transparentes, pero que garantizan una mayor vida util de los componentes. Ademas, es posible observar directamente el flujo correcto del lfquido en los puntos mas cnticos.

[0034] El diseno de la red de distribucion para los lfquidos tambien puede comprender el posicionamiento de mecanismos de retencion y desviacion oportunos (no mostrados). Los mecanismos de retencion son necesarios para garantizar que el lfquido de cultivo no se dispersa en el ambiente exterior en caso de fallas en el sistema 14. Los mecanismos de desviacion, en cambio, tienen varias funciones: permiten que el sistema 14 se divida en secciones separadas, lo que permite que se desarrollen varios cultivos en paralelo que difieren entre sf, ya sea por el momento de la inoculacion o la especie de organismo cultivado, o aun por el nivel de desarrollo al que se desea llevar el cultivo. Otra funcion de los mecanismos de desviacion es permitir el envfo del lfquido de cultivo, en el momento de la recoleccion, a los aparatos especializados de la manera mas rapida y eficiente posible y sin interferir con los otros sectores del sistema 14; de manera similar, el mecanismo de desviacion permite que los mismos sectores del sistema 14 se vuelvan a llenar despues de que se hayan vaciado para la recoleccion. La posibilidad de dividir el sistema 14 en sectores tambien permite realizar un mantenimiento rutinario y extraordinario en areas limitadas sin que sea necesario detener todo el sistema 14 por cada operacion de mantenimiento u otro tipo de operacion, lo que resulta en un aumento de la productividad de sistema.

[0035] El aparato de desgasificacion 26 es fundamental para todos los sistemas 14' con los que esta destinado a cultivar organismos fotosinteticos de origen acuatico. La desgasificacion es un proceso necesario para permitir que parte del oxfgeno producido por los organismos durante la fotosmtesis se elimine del lfquido de cultivo. La necesidad de eliminar parte del oxfgeno producido se debe al hecho de que este gas tiene un efecto inhibidor del crecimiento si sus concentraciones son demasiado altas.

[0036] El proceso de desgasificacion se puede llevar a cabo utilizando diversos metodos, que se evaluaran de acuerdo con el uso final que se pretende hacer de los organismos obtenidos por cultivo.

[0037] El sistema mas sencillo para realizar esta operacion es utilizar tambien el aparato de alimentacion de nutrientes 20 como un aparato de desgasificacion. Esto se puede hacer proporcionando aberturas de oportunidad a traves de las cuales el lfquido entra en contacto directo con el ambiente exterior, nivelando su presion a la del entorno. La diferencia de presion entre las partes de gas contenidas en el lfquido y el ambiente exterior es suficiente para provocar la transferencia del exceso de oxfgeno del lfquido de cultivo a la atmosfera. El contacto directo con la atmosfera externa puede conllevar el riesgo de contaminacion por otros organismos o microorganismos, potencialmente invasivos o perjudiciales para las funciones vitales de los cultivados, que pueden reducirse al proporcionar aparatos de filtrado especiales, que atrapan a la mayona de los organismos contaminantes presentes en el aire que pasa por ellos.

[0038] Si el aparato de alimentacion de nutrientes 20 no esta presente o se desea reducir mas el riesgo de contaminacion para el cultivo (como ocurre en la produccion de organismos y compuestos para la industria farmaceutica, por ejemplo), el aparato de desgasificacion 26 puede ser de un tipo diferente. Se pueden proporcionar interruptores de presion especiales (no mostrados), que pueden mantener una presion de referencia establecida al operar para liberar parte del gas contenido en el sistema siempre que la presion interna exceda el nivel establecido. Este tipo de aparato asegura que el flujo de sustancias gaseosas es principalmente desde el interior del sistema 14 hacia el exterior, por lo tanto, sin permitir que el aire del ambiente externo penetre en el sistema 14. Esto permite que casi no haya contacto directo entre el cultivo y el aire del ambiente exterior, que es un potencial portador de organismos contaminantes.

[0039] Este tipo de aparato de desgasificacion 26 requiere una mayor precision en los pasos de calibracion y control con respecto al anterior, ya que un ajuste con niveles demasiado bajos puede causar una fuga de parte del lfquido de cultivo, con la consiguiente disminucion de la productividad y el riesgo de contaminar el medio ambiente exterior. a la inversa, una configuracion con niveles demasiado altos puede hacer que el exceso de gases presente en el cultivo no sea expulsado y el consiguiente riesgo de fenomenos de inhibicion del crecimiento.

[0040] El posicionamiento de estos aparatos debe evaluarse oportunamente, y posiblemente realizarse a una distancia significativa de los aparatos destinados a inocular sustancias gaseosas. El riesgo que se corre en el caso de una distancia demasiado corta entre los aparatos de inoculacion 28 (descritos mas adelante) y los de desgasificacion 26 es de tener una dispersion inmediata de las sustancias gaseosas recien inyectadas (especialmente CO230 para aumentar la productividad), sin tener el tiempo necesario para asegurarse de que son asimilados por los organismos presentes o al menos completamente solubilizados en el lfquido de cultivo. Cuando se utiliza CO2 puro 30 en sistemas de cultivo intensivo, la maximizacion de su asimilacion tiene importantes repercusiones, especialmente a nivel economico, debido al precio de las materias primas utilizadas.

[0041] Con respecto al aparato 28 para inocular sustancias gaseosas (como los humos 29 y CO230), la oportunidad de usar sustancias gaseosas se explota principalmente para aumentar la productividad de los organismos y, en ciertos casos, como un factor. Para la contencion de agentes contaminantes. La principal sustancia gaseosa suministrada es el dioxido de carbono 30, que es necesario para los procesos metabolicos de los organismos fotosinteticos, garantizandoles el carbono necesario para la smtesis de las sustancias necesarias para su supervivencia y crecimiento. Otra funcion del dioxido de carbono es limitar los fenomenos de contaminacion por microorganismos aerobicos y anaerobicos, que son incapaces de sobrevivir en ambientes con un alto porcentaje de esta molecula.

[0042] El aparato de inoculacion 28 para sustancias gaseosas esta formado por una combinacion de varios tipos de sistemas, destinados a inyectar las sustancias gaseosas en el lfquido con un movimiento lo suficientemente turbulento que garantiza una mezcla inicial apropiada.

[0043] La colocacion de los aparatos de inoculacion 28 para sustancias gaseosas se debe realizar teniendo en cuenta dos aspectos principales: 1) los gases deben inyectarse en un area del sistema 14 lo mas lejos posible de los que estan en contacto con el aire del ambiente externo, para reducir al mmimo la posible dispersion de sustancias gaseosas y aumentar el tiempo disponible para que los organismos asimilen los elementos nutritivos al maximo; 2) la colocacion de los aparatos de inoculacion 28 para sustancias gaseosas aguas abajo con respecto a los aparatos de bombeo y circulacion de lfquidos 18 para evitar el riesgo de cavitacion debido al mayor porcentaje de gas dentro de la mezcla que circula en el sistema l4.

[0044] El aparato de inoculacion 28 para sustancias gaseosas tambien se puede usar como un sistema para usar los humos de combustion 29 como una fuente adicional de CO2; el uso de humos de combustion debe combinarse con un sistema de control que evalue la temperatura de inyeccion y la cantidad/calidad de los humos introducidos, para evitar el estres termico o qmmico que pueda comprometer la funcionalidad de las celulas.

[0045] El sistema completo de circulacion de lfquidos y cultivo de organismos en un ambiente controlado puede proporcionar aparatos de monitoreo y control 32 para los parametros de produccion, establecidos de acuerdo con el tipo de organismo producido y su destino comercial. El monitoreo de los parametros de cultivo permite tener todos los datos disponibles para analizar el proceso de crecimiento de los organismos y evaluar la eficiencia de los cambios que se realizan en la etapa de cultivo, a fin de planificar futuros desarrollos. El sistema de control permite que se realicen acciones correctivas si las variaciones en los parametros van mas alla de los lfmites establecidos.

[0046] Un nivel de temperatura fuera de los lfmites soportados por los organismos da como resultado un estres fisiologico que incluso puede causar su muerte y, por lo tanto, la perdida de la cultivacion. Un sistema de control eficiente permite detectar la temperatura del lfquido de cultivo y, si excede los valores establecidos, activar un intercambiador de calor (no mostrado) que permite suministrar o eliminar la cantidad necesaria de calor para devolver la temperatura del lfquido a dentro del rango deseado. La velocidad con la que interviene el intercambiador de calor debe calibrarse de acuerdo con la tolerancia de los organismos a las variaciones de temperatura.

[0047] Se necesita una concentracion suficiente de CO2 en el lfquido de cultivo, no solo para garantizar la ingesta correcta de nutrientes en el medio, sino tambien como un sistema para limitar los agentes contaminantes que podnan comprometer la cantidad y la calidad de los organismos producidos. El control de la concentracion de CO2 permite identificar cuando cae por debajo de una condicion cntica, como causar estres alimentario o el riesgo de contaminacion por agentes infestantes, e intervenir aumentando la fuente de esta sustancia de manera que la concentracion vuelva a valores optimos.

[0048] La medicion de la concentracion de oxfgeno permite evaluar si los sistemas de desgasificacion estan calibrados adecuadamente y si estan funcionando correctamente. Si el monitoreo indica valores de oxfgeno por encima de los lfmites, es posible intervenir con acciones correctivas oportunas antes de que esta situacion resulte en una inhibicion del crecimiento de los organismos.

[0049] Las mediciones del pH o la salinidad permiten estimar la cantidad de nutrientes presentes en el medio de cultivo y determinar la tasa de absorcion de los organismos.

[0050] Todas las acciones correctivas para restaurar los valores de los parametros dentro de los rangos optimos pueden ser controladas por un sistema de software oportuno que calcula la duracion y la entidad de las acciones correctivas en tiempo real.

[0051] El aparato de recoleccion 34 permite llevar a cabo el ultimo paso del proceso de produccion de organismos en un ambiente controlado. La tarea de este aparato 34 es separar la parte solida, formada por las celulas que se han desarrollado durante el ciclo de cultivo, de la parte lfquida, compuesta principalmente de agua y en la que todavfa pueden disolverse algunos elementos de nutricion celular residual.

[0052] El mecanismo de recoleccion puede ser de varios tipos, para ser elegido de acuerdo con el tamano y el peso de las celulas que deben ser recolectadas; los sistemas que se pueden usar podnan ser tanques de sedimentacion (no mostrados), que explotan la fuerza del peso, o centnfugas e hidrociclones (no mostrados), que aprovechan los efectos de la fuerza centnfuga. Ademas de las caractensticas de las celulas, la eleccion del aparato de recoleccion 34 tambien toma en consideracion los tiempos disponibles para este paso, la eficiencia de recoleccion que deseaba lograr y los costos economicos y energeticos que deben afrontarse. Los sistemas que explotan la fuerza de gravedad pueden necesitar mas tiempo para la separacion entre la parte solida en suspension y la parte lfquida, pero tienen un consumo de energfa correspondientemente menor en este paso; por el contrario, los sistemas centnfugos garantizan una mayor eficiencia y tiempos de recoleccion mas cortos, pero al mismo tiempo conllevan un mayor consumo de energfa y mayores costos de inversion para el equipo necesario.

[0053] La eficiencia de recoleccion, o mas bien el porcentaje de sustancias solidas que se pueden recuperar del lfquido, y los costos asociados sostenidos para obtenerlo, se evaluan de acuerdo con la cadena de produccion que deben seguir los organismos producidos. La produccion para aplicaciones cosmeticas o farmaceuticas, para la cual el valor agregado correspondiente es muy alto, puede justificar inversiones mas grandes para la recoleccion e ignorar el consumo de energfa; a la inversa, la produccion de biomasa con fines de energfa, dentro de un contexto de sostenibilidad, debe evaluar cuanto pesa el consumo de energfa para la cosecha en el balance energetico global.

[0054] En situaciones de produccion a gran escala con bajo valor agregado, incluso podna ser intencional separar y cosechar un cierto porcentaje de los organismos producidos, utilizando la parte restante en solucion como inoculo para el siguiente cultivo. Este procedimiento se evalua de acuerdo con la capacidad de las celulas seleccionadas para reproducirse al final de un ciclo de cultivo.

[0055] El funcionamiento del sistema 14 descrito anteriormente se describira ahora.

[0056] El lfquido de cultivo, constituido por agua y una solucion de macro y micronutrientes, en el que se pueden contener las celulas de algas u otros microorganismos fotosinteticos y, de lo contrario, se puede contener en la planta a traves del aparato 20 de alimentacion de nutrientes. La cantidad de lfquido dentro del aparato de alimentacion de nutrientes 20 alcanza un valor establecido, se activa el aparato de transporte de lfquido 24, que esta compuesto por una serie de elementos de bombeo para garantizar el funcionamiento del sistema con un cierto nivel de fiabilidad.

[0057] El aparato de transporte de lfquido 24 bombea el lfquido de cultivo dentro del aparato de distribucion, a traves del cual llega a un sector predeterminado del sistema 14 y comienza a circular dentro de los paneles 1. Cuando se ha tomado una cantidad suficiente del lfquido de cultivo, el aparato de alimentacion de nutrientes 20 se cierra para reducir el riesgo de contaminacion por agentes externos.

[0058] El lfquido dentro de los paneles 1 sigue las rutas predeterminadas, creadas oportunamente mediante el uso de los aparatos de conexion 3 y 7 entre los elementos alveolares 5 del panel 1 en policarbonato o PMMA. Estas rutas se eligen con el objetivo de maximizar el tiempo de exposicion solar y reducir las perdidas de carga y el consiguiente consumo de energfa asociado a ellas. Ademas de la ruta establecida dentro de los diversos elementos 5 del panel 1, otro factor que maximiza la exposicion solar es la alta relacion superficie/volumen que se puede obtener con este tipo de panel 1.

[0059] A traves de la exposicion a la luz solar, los organismos reciben la energfa necesaria para la fotosmtesis. Al final de la etapa de exposicion a la luz solar en los aparatos especialmente provistos, el lfquido se envfa al tanque de desgasificacion, donde se libera parte del oxfgeno producido durante fotosmtesis. A traves de este tanque tambien es posible compensar la posible falta de algunas sustancias nutritivas dentro del lfquido de cultivo. Una vez que el sistema 14 se ha llenado y ha alcanzado las condiciones normales de funcionamiento, el lfquido de cultivo comienza a circular dclicamente dentro del sistema 14.

[0060] La etapa de cultivo y crecimiento de los organismos corresponde a este estado, en el que los organismos utilizan los elementos. Se disuelven en el lfquido como nutrientes y se sintetizan en sustancias necesarias para su metabolismo gracias a la energfa recibida de la luz que brilla sobre ellas. El penodo real de cultivo no siempre es el mismo: en realidad depende de la especie de organismo que se desea que crezca, las condiciones climaticas externas (horas de luz y temperatura) y de las propiedades ffsico-qmmicas de los elementos que se desean obtener del cultivo.

[0061] La etapa de cultivo, caracterizada por la circulacion continua dentro de la planta, se puede considerar concluida cuando se observa a partir del analisis periodico que se han cumplido los objetivos planificados, que podnan expresarse en terminos de cantidad de biomasa o tipo de metabolitos. Los estudios sobre modelos y tiempos de crecimiento de los organismos permiten calcular los tiempos estandar de cuando cosechar, sin hacer un analisis periodico del cultivo necesario durante su desarrollo.

[0062] Cuando finaliza el penodo de circulacion dentro de la planta, el lfquido de cultivo se envfa a los aparatos de recoleccion y separacion de biomasa 34. Esta transferencia se leva a cabo utilizando los aparatos de desviacion presentes en todos los circuitos de distribucion. Se proporcionan valvulas de desviacion oportunas que permiten que los medios de cultivo contenidos en los sectores de la planta que se pretende vaciar se envfen a los sistemas de recoleccion sin afectar la funcionalidad de los sectores adyacentes. Dependiendo de las dimensiones del sistema y, por lo tanto, de la cantidad de lfquido que se debe transferir, el operador de transporte puede ser completamente automatizado o controlado por el operador para las operaciones de vaciado y transferencia.

[0063] Se debe tener en cuenta que el aparato de alimentacion de nutrientes 20 y el aparato de inoculacion 28 para sustancias gaseosas hacen que el sistema 14 este preparado para recibir numerosas formas de productos de desecho de otros procesos energeticos e industriales, para utilizarlos como fuente complementaria de elementos nutritivos presentes en el lfquido de cultivo. Entre los principales, es posible mencionar las aguas residuales 22 de la industria alimentaria y, de lo contrario, las fracciones lfquidas 23 provenientes de plantas de digestion anaerobica, los desechos provenientes de granjas ganaderas y los humos de combustion 29 presentes en muchos procesos industriales.

[0064] Con respecto a las caractensticas hidraulicas del sistema 14, proporciona el uso de escalones hidraulicos presurizados y no presurizados. En el caso espedfico, todo el Ifquido presente aguas abajo de las bombas se envfa en circulacion en conductos sellados para tener la posibilidad de controlar la presion y la velocidad lineal. El sistema esta disenado e implementado para que exista un cierto nivel de redundancia en una emergencia y/o situacion de las bombas que no funcionan. En el caso de que no sea posible confiar en el transporte mecanico, los diversos aparatos del sistema 14 se podnan drenar por gravedad (si esta previsto). Estas estratagemas son necesarias para evitar el desarrollo anormal de los organismos que quedan en una situacion de transporte de fluido nulo.

[0065] En aparatos a presion atmosferica, el lfquido permanece allf durante penodos de tiempo predeterminados y luego se libera dentro del sistema 14 mediante el uso de bombas y/o cafdas gravimetricas.

[0066] Como organismos, las microalgas pueden cultivarse en el sistema 14.

• Definicion

[0067] Las microalgas comprenden organismos eucariotas de tamano microscopico, con un metabolismo fototrofico (que obtiene energfa de la luz) y, en general, autotrofico (que utiliza carbono inorganico como fuente de carbono). En general, pero no exclusivamente, se encuentran en un ambiente acuatico, donde representan la mayor produccion primaria. Las microalgas difieren de los procariotas, como las cianobacterias y las proclorofitas, al poseer un nucleo cubierto por una membrana nuclear adecuada, dentro de la cual se encuentran los cromosomas y el nucleolo. El citoplasma se divide en compartimentos y contiene organos provistos de una membrana (aparato de Golgi, mitocondria, retfculo endoplasmico, vacuolas, centnolos y plastidios).

• Metodo de reproduccion y crecimiento.

[0068] En la mayona de los casos, la reproduccion de microalgas se realiza de forma vegetativa, a traves de la division celular, y es a traves de este mecanismo que la biomasa del cultivo aumenta con el tiempo. En un cultivo por lotes tfpico, se pueden distinguir cuatro etapas de crecimiento: 1) la etapa de adaptacion inicial, donde la tasa de crecimiento espedfica es sub-optima 2) el paso exponencial donde el crecimiento tiene lugar como una funcion exponencial del tiempo, hasta que esta limitado por la disponibilidad de luz y nutrientes; 3) el paso lineal donde el crecimiento se ralentiza despues de alcanzar la tasa de crecimiento maxima; 4) el paso estacionario donde cesa la produccion de biomasa adicional.

• Campos de aplicacion de los cultivos de microalgas.

[0069] El interes en el uso de algas y su cultivo se refiere a muchos campos, desde la nutricion humana a la industria farmaceutica y cosmetica, desde la produccion de alimentos para animales hasta la produccion de energfa. El interes en estos organismos esta vinculado a su alta tasa de crecimiento, tolerancia a una amplia gama de condiciones ambientales y, mas en general, a su metabolismo y eficiencia fotosintetica. Con respecto a las plantas terrestres, las ventajas operacionales de los cultivos de microalgas se pueden resumir de la siguiente manera:

1) Los cultivos de algas pueden desarrollarse en terrenos no destinados a la agricultura y de poco valor.

2) No se necesitan pesticidas.

3) En muchos casos, pueden crecer en medicamentos de bajo costo, como el agua de mar o varios tipos de aguas residuales.

4) Estan menos sujetos a cambios estacionales.

5) Los costos asociados con la cosecha y el transporte son generalmente menores que los de las plantas, cuando se cultivan al aire libre en las llamadas "carreras". Los costos pueden variar si se cultivan en fotobiorreactores.

[0070] Desde el punto de vista energetico, se sabe que ciertas especies de microalgas pueden, bajo condiciones especiales de cultivo, acumular lfpidos adecuados para la produccion de biodiesel, lo que constituye una alternativa prometedora a los combustibles fosiles y la primera y segunda generacion. Biodiesel a traves de transesterificacion, hidrogenacion o incluso digestion anaerobica para la produccion de biogas y biometano. El uso de microalgas para la produccion de biocombustibles puede combinarse con otros procesos, como la eliminacion de CO2 de los humos de combustion a traves de la asimilacion, o el tratamiento de aguas residuales para eliminar compuestos de nitrogeno y compuestos de fosforo. Despues de la extraccion del aceite, la biomasa restante puede procesarse para extraer otros compuestos de interes, como PUFA (acidos grasos poliinsaturados), azucares, pigmentos, antioxidantes, etc., o simplemente quemarse para producir energfa.

• Factores de diseno del sistema de cultivo de organismos en relacion con el cultivo de microalgas.

[0071] Los factores mas importantes a considerar en el diseno del sistema de cultivo contempla la presencia de: a) Radiacion lummica, natural o artificial. La forma del panel alveolar en policarbonato facilita la penetracion de la luz tanto por su transparencia como por el pequeno tamano de los alveolos. Las propiedades opticas del medio de cultivo tambien pueden afectar la penetracion de la luz: por lo tanto, su turbidez debe controlarse.

b) Un medio de cultivo, cuya composicion vana segun la cepa utilizada y los productos que se desea obtener. La presencia de macronutrientes (como nitrogeno, fosforo, calcio, potasio y hierro) y micronutrientes en una solucion acuosa tamponada es comun a todos los medios.

c) Una fuente de carbono, normalmente proporcionada como CO2, que debe ser modulable de acuerdo con las necesidades de crecimiento y teniendo en cuenta el pH.

d) Un sistema de remezcla para hacer que la exposicion a la luz y la disponibilidad de nutrientes sea homogenea en todo el cultivo y para evitar fenomenos de depositos en las paredes del panel.

e) Un sistema de desgasificacion para eliminar el exceso de oxfgeno producido por la fotosmtesis y un sistema de control de temperatura.

[0072] Ahora se describira el funcionamiento del sistema de purificacion de efluentes.

[0073] El sistema de purificacion de efluentes se puede usar aguas abajo de una multitud de procesos industriales, civiles y agncolas/zootecnicos. Se puede insertar en un esquema de tratamiento de agua como un proceso de tratamiento previo o como el proceso principal, o incluso como un proceso de acabado. Consiste principalmente en los mismos aparatos presentes en el sistema para la produccion de microorganismos fotosinteticos en un ambiente controlado. De hecho, ademas de una cantidad suficiente de dioxido de carbono, estos microorganismos tambien necesitan nutrientes para su desarrollo y crecimiento.

[0074] Por lo tanto, el aparato de alimentacion de nutrientes se modifica para permitir la ingesta de aguas residuales oportunamente tratadas y diluidas. El sistema puede utilizarse para procesar aguas residuales monoespedficas de caracter civil, industrial y agncola/zootecnico.

[0075] Tambien se puede configurar para el tratamiento de residuos mezclados de manera oportuna para optimizar las propiedades ffsico-qdmicas de la mezcla. El tratamiento permitina alcanzar dos objetivos: reduccion de la carga contaminante en los residuos y/o crecimiento en la biomasa utilizada. Dependiendo del objetivo final, la monoespecificidad de los microorganismos puede ser mas o menos buscada. Las ventajas de usar este sistema son evidentes tanto desde el punto de vista medioambiental (dado que se preven reducciones de mas del 80% para los principales elementos no deseados) como desde el punto de vista economico (ahorro en el proceso de tratamiento, reutilizacion de agua purificada y utilizacion de los residuos para producir un producto de valor).

[0076] El uso de aguas residuales contempla que el sistema este equipado con un aparato de control capaz de actuar de manera automatica y/o semiautomatica para dosificar correctamente las aguas residuales en los lfquidos transportados. Los parametros con respecto a la densidad del lfquido, la turbidez, el pH, la temperatura de inyeccion y el nivel de solidos en suspension son mas cnticos y, por lo tanto, deben monitorearse con frecuencia.

[0077] Ademas, los principales parametros ffsico-qdmicos (tales como DQO, DBO, alcalinidad, diversas formas de nitrogeno, fosforo, potasio, magnesio y las principales bacterias patogenas) deben evaluarse por medio de analisis espedficos. Como es un sistema de purificacion, la biomasa recolectada debe analizarse oportunamente para poder manejarla de la manera mas apropiada.

[0078] Ahora se describira el funcionamiento del sistema de reduccion de CO2.

[0079] El sistema de reduccion de CO2 se puede utilizar en combinacion con muchos procesos industriales en los que se proporcionan plantas de combustion para la generacion de energfa termica o productos relacionados.

[0080] El sistema de reduccion de CO2 consiste en los mismos aparatos presentes en el sistema para la produccion de organismos fotosinteticos en un ambiente controlado. Para su desarrollo y crecimiento, estos necesitan una cantidad suficiente de CO2 que convierten, a traves de reacciones de carbon fotosintetico, en moleculas organicas utiles para su nutricion. Una concentracion de CO2 superior al nivel estandar de la atmosfera aumenta la productividad del sistema.

[0081] El dioxido de carbono tambien es necesario como agente para limitar los organismos contaminantes; el nivel aceptable de contaminacion por microorganismos depende del uso que esta destinado a hacer de la produccion obtenida: de hecho, una cierta cantidad de organismos distintos a los de la produccion original pueden incluso ser admisibles para algunos usos energeticos; Por el contrario, para producciones destinadas a las cadenas farmaceutica, cosmetica y alimentaria, no se admite la presencia de contaminantes que puedan alterar la calidad de los productos obtenidos.

[0082] Es posible preparar aparatos que permitan que una parte del dioxido de carbono contenido en los humos de descarga de varios tipos de plantas de combustion sean capturados. La posibilidad de recuperar parte del CO2 presente en los humos antes de que se dispersen en el medio ambiente proporciona ventajas tanto en terminos ambientales como economicos. Desde el punto de vista ambiental, con esta solucion tecnica existe la posibilidad de absorber parte de las emisiones de dioxido de carbono, el principal gas de efecto invernadero, antes de que se disperse en la atmosfera: al hacerlo, es posible dar un final util para los humos descargados de las plantas de combustion, que hasta ahora se han visto solo como un problema a resolver. Incluso el efecto economico puede ser considerable: de hecho, cuando los aparatos se optimizan oportunamente y, por lo tanto, permiten la recuperacion de grandes cantidades de dioxido de carbono, es posible reducir la cantidad que es necesario comprar.

[0083] Para una utilizacion optima de los humos de descarga como fuente de CO2, se necesitan mecanismos de control que monitoreen la temperatura y el pH y que tambien cuantifiquen las otras sustancias contenidas en los humos que se inyectan en el sistema. Este control es necesario para garantizar que no se creen condiciones dentro del sistema, como para poner en peligro la supervivencia de las celulas, en las que se basa todo el mecanismo de absorcion de CO2.

[0084] El control puede invocar acciones correctivas destinadas a devolver los parametros dentro de sus rangos optimos, ya sea modificando las cantidades y condiciones de los humos inyectados, o interviniendo en los otros aparatos de la planta. De acuerdo con la planta de combustion de la cual se pretende recuperar los humos, es posible proporcionar mecanismos oportunos para mantener las presiones correctas que permitan el funcionamiento correcto de la planta de combustion y las mezclas y absorciones correctas por parte del sistema en cuestion.

[0085] En general, todavfa se requiere el control de la concentracion de O2, CO2 y los nutrientes disueltos en el medio de cultivo, asf como la evaluacion continua de los valores de pH.

[0086] La seccion de perfil de la invencion 1 tambien se puede usar para hacer circuitos hidraulicos sellados presurizados en aplicaciones de construccion, arquitectura, diseno y ocio.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Sistema (14) para la produccion de organismos fotosinteticos bajo condiciones controladas, que comprenden:

• al menos un aparato (16) para exponer lfquidos de cultivo a la luz solar, constituido por al menos un panel alveolar (1), hecho de un material plastico transparente, en particular policarbonato, provisto de al menos un elemento de sellado y conexion a prueba de lfquidos (3) y con paredes adaptadas para acoplarse con las paredes de uno de los canales respectivos (5) con los que esta equipado dicho panel alveolar (1), sellando y conectando cada uno de dichos lfquidos elementos hermeticos y elementos de conexion (3) que comprenden, ademas, al menos una parte (7) adaptada para ser acoplada de manera operativa y a los lfquidos con una parte respectiva (7) con la cual otro elemento de sellado y conexion hermetico a lfquidos (3) esta equipado, con el fin de hacer un circuito hidraulico presurizado a prueba de lfquidos entre al menos dos canales (5) de dicho panel alveolar (1);

• al menos un aparato de transporte de lfquido (18) conectado operativamente a dicho aparato (16); y

• al menos un aparato de alimentacion de nutrientes (20) conectados racionalmente a dicho aparato (16) para exponer lfquidos de cultivo a la luz solar y a dicho aparato de transporte de lfquido (18).

2. Sistema (14) segun la reivindicacion 1, que comprende ademas:

• al menos un aparato de distribucion de lfquido (24), que conecta operativamente dicho aparato (16) para exponer lfquidos de cultivo a la luz solar, dicho aparato de transporte de lfquido (18) y dicho aparato de alimentacion de nutrientes (20);

• al menos un aparato de desgasificacion (26) conectado operativamente a dicho aparato (16) para exponer lfquidos de cultivo a la luz solar y a dicho aparato de alimentacion de nutrientes (20);

• al menos un aparato de inoculacion (28) para sustancias gaseosas, conectado operativamente a dicho aparato (16) para exponer lfquidos de cultivo a la luz solar y a dicho aparato de transporte de lfquido (18) por medio de dicho aparato de distribucion de lfquido (24). ;

• al menos un aparato de control y gestion (32) para los parametros de produccion de dicho sistema (14); • al menos un aparato de recoleccion (34) conectado aguas abajo de dicho aparato de transporte de lfquido (18); y

• al menos un aparato de carga (36) de dicho sistema (14) conectado aguas arriba de dicho aparato de transporte de lfquido (18).

3. Uso del sistema (14) segun la reivindicacion 1 o 2 para el cultivo y produccion de algas unicelulares u otros microorganismos fotosinteticos.

4. Uso del sistema (14) segun la reivindicacion 1 o 2 para la produccion y extraccion de metabolitos secundarios u otras sustancias de interes comercial, farmaceutico o biomedico.

5. Uso del sistema (14) segun la reivindicacion 1 o 2 para la depuracion de aguas residuales de origen civil, industrial y agncola-zootecnico.

6. Uso del sistema (14) segun la reivindicacion 1 o 2 para la asimilacion de dioxido de carbono.

7. Uso del sistema (14) segun la reivindicacion 1 o 2, en el que dicho al menos un aparato de alimentacion de nutrientes (20) utiliza aguas residuales de origen civil, industrial y zootecnico como una fuente de nutrientes para los organismos cultivados.

8. Uso del sistema (14) de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, en el que al menos un aparato de alimentacion de nutrientes (20) utiliza digestato, un residuo de los procesos de digestion anaerobica de biomasas, como fuente de nutrientes para los organismos cultivados.

9. Uso del sistema (14) de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, en el que las biomasas utilizables para el proceso de digestion anaerobica son producidas por dicho sistema (14).

10. Uso del sistema (14) segun la reivindicacion 1 o 2, en el que al menos un aparato de inoculacion (28) para sustancias gaseosas utiliza ademas humos de combustion (29) como fuente de nutrientes para los organismos cultivados.

11. Uso del sistema (14) segun la reivindicacion 1 o 2, en el que el sistema (14) esta preparado para la recuperacion de sustancias de desecho de otros procesos de produccion que no estan directamente relacionados con el.

12. Uso del sistema (14) de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, en el que al menos un aparato de desgasificacion (26) realiza el cultivo de organismos fotosinteticos en un entorno controlado, permitiendo asf la eliminacion del exceso de oxfgeno producido durante la fotosmtesis.

13. Uso del sistema (14) de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, en el que dicho al menos un aparato de transporte de Kquido (24) realiza el cultivo de organismos asegurando que todas las celulas dentro del cultivo pasan periodicamente a traves de todos los aparatos y recibir los tratamientos necesarios.