ES2713999T3 - Sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas - Google Patents

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Abstract

La presente invención se refiere a un sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas que comprende un recipiente de cultivo de baja profundidad, un sistema de giro para la generación de ciclos de luz-oscuridad y resuspensión que maximiza la eficiencia fotosintética de las microalgas y homogeniza los nutrientes suministrados para que en todas las zonas del fotobiorreactor las microalgas puedan crecer adecuadamente, un sistema de intercambio de gases y control de la temperatura que permite controlar y mantener los parámetros de cultivo en las condiciones óptimas de crecimiento de las microalgas, un sistema de filtrado y autolimpieza, un sistema de control y ahorro de energía que permite mantener las condiciones deseadas con el menor gasto energético, y un sistema de cubierta que filtra la radiación ultravioleta y/o infrarroja y permite controlar contaminaciones, temperatura y evaporación.

Description

DESCRIPCION
Sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas
OBJETO DE LA INVENCION
La presente invencion se incluye dentro del campo tecnico de la produccion de microalgas. En concreto, se enmarca en el area de los sistemas de cultivo destinados a la produccion masiva de microalgas en condiciones externas.
El objeto de la patente consiste en un sistema optimizado de cultivo de microalgas que comprende un recipiente de cultivo de baja profundidad, un sistema de giro para la generacion de ciclos de luz-oscuridad y resuspension que maximiza la eficiencia fotosintetica de las microalgas y homogeniza los nutrientes suministrados para que en todas las zonas del fotobiorreactor las microalgas puedan crecer adecuadamente, un sistema de intercambio de gases y control de la temperatura que permite controlar y mantener los parametros de cultivo en las condiciones optimas de crecimiento de las microalgas, un sistema de filtrado y autolimpieza, un sistema de control y ahorro de energfa que permite mantener las condiciones deseadas con el menor gasto energetico, y un sistema de cubierta que filtra la radiacion ultravioleta y permite controlar contaminaciones, temperatura y evaporacion. Todo ello con baja inversion, mfnimo consumo de energfa y alta eficiencia del cultivo.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Las microalgas estan probando ser de gran utilidad debido a que presentan gran numero de aplicaciones beneficiosas en areas tan diferentes como el tratamiento de aguas residuales, la produccion de biocombustibles, la alimentacion humana y animal, o la obtencion de productos qufmicos de alto valor. Los cultivos de microalgas pueden alcanzar productividades muy superiores a los cultivos tradicionales, dando como resultado una mayor fijacion de CO2 y una mayor cantidad de biomasa producida. Ademas, los cultivos de microalgas tienen menores necesidades de agua y no compiten con los cultivos tradicionales, puesto que no necesitan terreno fertil ni agua potable.
Para obtener una rentabilidad optima en proyectos de produccion de microalgas a gran escala se necesitan grandes extensiones que den sentido a las inversiones necesarias, ademas de instalaciones industriales de suficiente envergadura. Dentro de los sistemas de produccion de microalgas existen principalmente dos clases diferenciadas, sistemas cerrados y sistemas abiertos. Los sistemas cerrados se caracterizan por aislar el fluido del ambiente exterior y estar menos expuestos a perturbaciones, mientras que los sistemas abiertos se caracterizan por tener una mayor interaccion o exposicion con el ambiente y depender en mayor medida de las condiciones del mismo.
Los sistemas de produccion de microalgas cuentan con dispositivos para extraer las microalgas una vez generadas; es lo que se denomina el “cosechado”. Tambien disponen de dispositivos para la inclusion de medio de cultivo nuevo, entendiendo por medio de cultivo el conjunto de nutrientes disueltos en agua que necesitan las microalgas, asf como para la agitacion y reduccion de gradientes de concentracion, para la eliminacion de oxfgeno y para la absorcion de dioxido de carbono en el medio de cultivo.
En los sistemas de produccion de microalgas hay que tener en cuenta las siguientes consideraciones para lograr un maximo rendimiento del mismo:
• El oxfgeno en altas concentraciones puede ser toxico para las microalgas, y especialmente cuando existe elevada radiacion solar,
• Las microalgas realizan la fotosfntesis y por tanto deben disponer de suficiente luz, aunque en exceso esta puede resultar perjudicial. No debe haber microalgas permanentemente en oscuridad, y una frecuencia de exposicion optima a la luz permite optimizar la productividad,
• Se deben homogeneizar los nutrientes suministrados, para que en todas las zonas del sistema las microalgas puedan crecer,
• Se debe distribuir el CO2 a lo largo de todo el sistema de cultivo, para que las microalgas puedan fijar este CO2, • Se debe evitar el decantado de microalgas en zonas muertas de los sistemas de cultivo, ya que ademas de representar una perdida de productividad por no tener acceso estas celulas a la luz, las celulas decantadas pueden ser un foco de contaminacion,
• Los sistemas de cultivo se deben mantener limpios, para evitar contaminaciones que afecten al crecimiento de las microalgas,
• Los cultivos de microalgas se deben mantener dentro de un rango de temperaturas apropiado para optimizar la productividad y evitar la muerte celular por frfo o por excesivo calor.
WO2011029189 divulga (fig. 3, [0084]) una piscina cilfndrica fotobiorreactora de cultivo que comprende un sistema de agitacion con un propulsor multipala montado de manera giratoria dentro de la piscina de cultivo para mezclar el efluente a ser tratado.
Otros sistemas de cultivo de microalgas que el solicitante conoce, son o bien sistemas tubulares que pueden ser cerrados o bien grandes bolsas preferentemente de material plastico que presentan un elevado consumo energetico para obtener un rendimiento aceptable en la produccion de microalgas.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
La presente invencion se refiere a un sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas, de alta productividad y baja inversion optimizado para la produccion de microalgas que permite llevar a cabo la generacion de ciclos de luzoscuridad en el sistema, su limpieza y el mantenimiento del mismo en condiciones optimas de produccion con el mfnimo consumo energetico, es decir, con una alta eficiencia.
El sistema de cultivo se encuentra divulgado en las reivindicaciones 1 a 16.
DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripcion, y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracterfsticas de la invencion, se acompana como parte integrante de dicha descripcion un juego de dibujos con caracter ilustrativo y no limitativo. Se ha representado lo siguiente:
La Figura 1 muestra el sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas de la presente invencion con una primera realizacion del sistema de fijacion de CO2 y desorcion de O2.
La Figura 2 muestra el sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas de la presente invencion con una segunda realizacion del sistema de fijacion de CO2 y desorcion de O2.
La Figura 3 muestra el sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas de la presente invencion con una tercera realizacion del sistema de fijacion de CO2 y desorcion de O2.
La Figura 4 muestra el sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas de la presente invencion con una cuarta realizacion del sistema de fijacion de CO2 y desorcion de O2.
La Figura 5 muestra una vista del perfil de las palas generadoras de ciclos de luz oscuridad en el medio de cultivo.
Descripcion de los elementos que forman el sistema:
El elemento 1 representa el recipiente contenedor del medio de cultivo.
El elemento 2 representa las palas giratorias que permiten la generacion de ciclos de luz-oscuridad.
El elemento 3 representa las palas giratorias que barren y resuspenden el cultivo.
El elemento 4 representa las palas giratorias con deflectores capaces de modificar el flujo del fluido en el interior del recipiente contenedor de medio de cultivo.
El elemento 5 representa una vista esquematica del sistema de fijacion de dioxido de carbono y desorcion de oxfgeno dispuesto en el interior del area delimitada por el recipiente contenedor de medio de cultivo (1).
El elemento 6 representa una vista esquematica del sistema de filtrado superficial.
El elemento 7 representa una vista esquematica del sistema de control y ahorro de energfa que permite optimizar el consumo energetico.
El elemento 8 representa una vista esquematica del sistema de cubierta.
REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
A la vista de las figuras se describen varios ejemplos de realizacion preferente del sistema de cultivo que comprende un recipiente (1) contenedor de base circular del medio de cultivo plano de baja profundidad, entendiendo por baja profundidad un recipiente en el que la relacion entre la altura h del medio de cultivo y el area A de la base del recipiente cumple que 4^= < 0.12, un sistema de giro que comprende al menos unos medios giratorios para desplazar el medio de cultivo verticalmente generando un regimen turbulento, donde estos medios giratorios preferentemente estan formados por un conjunto de palas giratorias (2) alrededor de un eje central vertical del recipiente para la generacion de ciclos luzoscuridad.
El sistema de giro comprende ademas un conjunto de palas (3) barredoras que limpia las superficies del recipiente y un conjunto de palas (4) deflectoras o con medios deflectores cuya mision es adecuar el movimiento del fluido, disminuyendo los tiempos de mezcla.
El sistema de cultivo comprende ademas uno o varios sistemas de fijacion de dioxido de carbono y desorcion de oxfgeno (5), que ademas comprende medios de termostatizacion, asf como un sistema de filtrado superficial (6), un sistema de control y ahorro de energfa que permite optimizar el consumo energetico (7) y un sistema de cubierta (8).
Primer ejemplo de realizacion preferente
En un primer ejemplo de realizacion preferente, mostrado en la Figura 1, el sistema fijacion de dioxido de carbono,desorcion de oxfgeno (5) que comprende ademas medios de termostatizacion esta situado en el interior del area delimitada por el recipiente (1) contenedor del medio de cultivo se extiende desde el centro del mismo hasta su periferia a lo largo de todo el radio y presenta forma de foso. El sistema de fijacion de dioxido de carbono y desorcion de oxfgeno (5) comprende un sistema de inyeccion de gases dispuesto en la parte inferior del foso que comprende unos difusores que inyectan aire, CO2 o mezclas de CO2 con otros gases de combustion para aportar carbono inorganico y/o aire para desorber el exceso de O2 que se pueda acumular.
El sistema de inyeccion de gases comprende ademas una valvula reguladora del caudal del gas que permite regular la desorcion de oxfgeno del medio de cultivo, ya que el oxfgeno en altas concentraciones resulta toxico para las microalgas. En este mismo foso se encuentra alojado un intercambiador que permite el control de la temperatura del medio de cultivo.
El perfil de las palas giratorias (2) para la generacion de ciclos luz-oscuridad presenta forma de alabe, donde el borde de ataque del perfil de las palas giratorias (2) esta dispuesto mas proximo al fondo del recipiente (1) contenedor de base circular que el borde de salida de dichas palas giratorias (2) para la generacion de ciclos luz-oscuridad, y donde el borde de ataque no se encuentra en la misma lfnea vertical que el borde de salida. Esta configuracion permite incrementar la turbulencia en el medio de cultivo aguas debajo de las palas, favoreciendo el desplazamiento del medio de cultivo en la direccion vertical.
Por tanto, el sistema de cultivo realiza varias funciones simultaneamente:
• desorber eficientemente el O2,
• fijar eficientemente el CO2,
• generar ciclos de luz-oscuridad con bajo coste energetico,
• termostatizar el medio de cultivo,
• evitar que se depositen las microalgas,
• homogeneizar los nutrientes,
• homogeneizar el CO2 disponible.
Seaundo ejemplo de realizacion preferente
En un segundo ejemplo de realizacion preferente mostrado en la Figura 2, el sistema fijacion de dioxido de carbono, desorcion de oxfgeno (5) que comprende ademas medios de termostatizacion esta situado en el interior del area delimitada por el recipiente (1) contenedor del medio de cultivo, se encuentra dispuesto en el centro del deposito y presenta forma de foso. El sistema de fijacion de dioxido de carbono y desorcion de oxfgeno (5) comprende un sistema de inyeccion de gases dispuesto en la parte inferior del foso que comprende unos difusores que inyectan aire, CO2 o mezclas de CO2 con otros gases de combustion para aportar carbono inorganico y/o aire para desorber el exceso de O2 que se pueda acumular.
El resto de elementos del sistema de cultivo son los descritos en el primer ejemplo de realizacion preferente y realiza las mismas funciones simultaneamente.
Tercer ejemplo de realizacion preferente
En un tercer ejemplo de realizacion preferente mostrado en la Figura 3, el sistema de fijacion de dioxido de carbono, desorcion de oxfgeno (5) que comprende ademas medios de termostatizacion esta situado en el exterior del area delimitada por el recipiente (1) contenedor del medio de cultivo y esta dispuesto en forma de foso por debajo de la base del recipiente (1). El sistema de fijacion de dioxido de carbono y desorcion de oxfgeno (5) comprende un sistema de inyeccion de gases dispuesto en la parte inferior del foso que comprende unos difusores que inyectan aire, CO2 o mezclas de CO2 con otros gases de combustion para aportar carbono inorganico y/o aire para desorber el exceso de O2 que se pueda acumular.
El resto de elementos del sistema de cultivo son los descritos en el primer ejemplo de realizacion preferente y realiza las mismas funciones simultaneamente.
Cuarto ejemplo de realizacion preferente
En un cuarto ejemplo de realizacion preferente mostrado en la Figura 4, el sistema de fijacion de dioxido de carbono, desorcion de oxfgeno (5) que comprende ademas medios de termostatizacion esta situado en el exterior del area delimitada por el recipiente (1) contenedor del medio de cultivo y se encuentra dispuesto al nivel de la base del recipiente (1) contenedor. El sistema de fijacion de dioxido de carbono y desorcion de oxfgeno (5) comprende un sistema de inyeccion de gases dispuesto en la parte inferior del sistema fijacion de dioxido de carbono, desorcion de oxfgeno (5) que comprende unos difusores que inyectan aire, CO2 o mezclas de CO2 con otros gases de combustion para aportar carbono inorganico y/o aire para desorber el exceso de O2 que se pueda acumular.
En este caso el sistema cuenta con una bomba que permite la salida del cultivo del recipiente contenedor (1) hacia el sistema de fijacion de CO2 y desorcion de O2 (5) y su vuelta a este.
El resto de elementos del sistema de cultivo son los descritos en el primer ejemplo de realizacion preferente y realiza las mismas funciones simultaneamente.

Claims (16)

REIVINDICACIONES
1. Sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas que comprende
- un recipiente (1) contenedor del medio de cultivo en el que la relacion entre la altura h del medio de cultivo y el area de la base del recipiente A cumple que - ^ = <0.12
- un sistema de giro dotado de al menos unos medios giratorios (2, 3, 4) comprendiendo al menos un conjunto de palas (2, 3, 4),
- un medio de cultivo desplazable verticalmente por los medios giratorios (2, 3, 4) generando un regimen turbulento en el medio de cultivo, y
- un sistema de fijacion de CO2 y desorcion de O2 (5) para la simultanea realizacion tanto de la transferencia de materia como de calor,
caracterizado porque el conjunto de palas (2, 3, 4) comprende palas barredoras (3) para resuspender las algas depositadas y limpiar las contaminaciones del fondo del recipiente, las palas barredoras (3) comprendiendo ademas escobillas en contacto con el fondo del recipiente (1) para transportar los contaminantes acumulados en el fondo del recipiente (1).
2. Sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas segun reivindicacion 1 caracterizado porque el conjunto de palas (2, 3, 4) comprende ademas palas (2) generadoras de ciclos de luz-oscuridad en el medio de cultivo.
3. Sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas segun reivindicacion 1 caracterizado porque el conjunto de palas (2, 3, 4) comprende ademas palas deflectoras (4) o con unos medios deflectores.
4. Sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas segun reivindicacion 1 caracterizado porque el sistema de fijacion de CO2 y desorcion de O2 (5) esta situado en el interior del area delimitada por el recipiente (1) contenedor del medio de cultivo, se extiende desde el centro del mismo hasta su periferia a lo largo de todo el radio y presenta forma de foso.
5. Sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas segun reivindicacion 1 caracterizado porque el sistema de fijacion de CO2 y desorcion de O2 (5) esta situado en el interior del area delimitada por el recipiente (1) contenedor del medio de cultivo y presenta forma de foso.
6. Sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas segun reivindicacion 1 caracterizado porque el sistema de fijacion de CO2 y desorcion de O2 (5) esta situado en el exterior del area delimitada por el recipiente (1) contenedor del medio de cultivo y esta dispuesto en forma de foso por debajo de la base del recipiente (1).
7. Sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas segun reivindicacion 1 caracterizado porque el sistema de fijacion de CO2 y desorcion de O2 (5) esta situado en el exterior del area delimitada por el recipiente (1) contenedor del medio de cultivo y se encuentra dispuesto al nivel de la base del recipiente (1) contenedor.
8. Sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas segun reivindicacion 6 o 7 caracterizado porque comprende una bomba que permite la salida del cultivo del recipiente contenedor (1) hacia el sistema fijacion de CO2 y desorcion de O2 (5) y su vuelta a este.
9. Sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas segun cualquiera de las reivindicaciones 4 a 8 caracterizado porque el sistema de fijacion de dioxido de carbono y desorcion de oxfgeno (5) comprende un sistema de inyeccion de gases dispuesto en su parte inferior que comprende unos difusores que inyectan aire, CO2 o mezclas de CO2 con otros gases de combustion.
10. Sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas segun cualquiera de las reivindicaciones 4 a 9 caracterizado porque el sistema de fijacion de dioxido de carbono y desorcion de oxfgeno (5) comprende ademas medios de termostatizacion.
11. Sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas segun reivindicacion 2 caracterizado porque las palas (2) generadoras de ciclos de luz-oscuridad en el medio de cultivo presenta un perfil en forma de alabe.
12. Sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas segun reivindicacion 11 caracterizado porque el perfil en forma de alabe de las palas (2) generadoras de ciclos de luz-oscuridad en el medio de cultivo es de tal manera que el borde de ataque del perfil de las palas (2) esta dispuesto mas proximo al fondo del recipiente (1) contenedor que el borde de salida de dichas palas (2).
13. Sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas segun reivindicacion 12 caracterizado porque el borde de ataque no se encuentra en la misma lfnea vertical que el borde de salida.
14. Sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el recipiente (1) contenedor del medio de cultivo es de base circular.
15. Sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el sistema comprende ademas escobillas en contacto con las paredes del recipiente (1) para transportar la contaminacion acumulada en las paredes del recipiente (1).
16. Sistema de cultivo de microalgas en condiciones externas segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el sistema comprende ademas un sistema de filtrado superficial (6).
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