ES2754212T3 - Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas - Google Patents

Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas Download PDF

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Emilio Alexander Mahoney
García Luis Alvarez
Tino Luigi Bacchetta
Renzo Christopher Bacchetta
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Abstract

La presente invención se refiere a un sistema modular de fotobiorreactores cerrados, destinado a su funcionamiento en interiores con iluminación por LEDs, de forma ininterrumpida y totalmente automatizada, con monitorización permanente de las variables del proceso, y control de la realimentación de C02 y de nutrientes, de la temperatura del agua a lo largo de todo el recorrido del fotobiorreactor, permitiendo un aprovechamiento máximo del espacio interior donde se encuentra dispuesto dicho sistema.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas
Objetivo de la invención
La presente invención se refiere a un sistema modular de fotobiorreactores diseñados para el cultivo de algas.
El objeto de la invención es un sistema modular de fotobiorreactores cerrados, destinados para el funcionamiento en interiores con iluminación LED, ininterrumpida y completamente automatizada, con monitoreo continuo de las variables del proceso y control de retroalimentación de CO2 y nutrientes, de la temperatura del agua a lo largo de toda la ruta del fotobiorreactor, que permite el máximo uso del espacio interior donde se dispone el sistema.
Antecedentes de la invención
La producción continua de aceite de algas y biomasa requiere tres fases distintas: producción de algas, recolección y procesamiento de productos para la generación de aceite y biomasa para su uso, con el propósito de producir biodiesel, cosméticos, productos farmacéuticos y otros productos.
Hoy en día, el cultivo de algas se realiza principalmente en estanques al aire libre y en fotobiorreactores hechos de plástico o vidrio que pueden tener configuraciones tubulares con diámetros que varían principalmente de 10 cm a 30 cm.
Estos sistemas generalmente se instalan al aire libre y funcionan bombeando agua y algas, a través de un circuito en el que se inyecta dióxido de carbono en el tanque a través del cual se bombea. Con la acción de la luz solar crecen algas a lo largo de dicho circuito. Sin embargo, estos sistemas no tienen control sobre los espectros de luz a los que se someten las algas, ni sobre la cantidad de nutrientes o dióxido de carbono requeridos, ni controlan ni determinan la temperatura del agua en la que se cultiva el cultivo.
Para un mayor control sobre los espectros de luz y para un control adecuado de la temperatura, alternativamente, el fotobiorreactor puede ubicarse en interiores donde se aplique luz artificial en ausencia de los espectros infrarrojo y ultravioleta que son perjudiciales para las algas, y donde al menos se controle la temperatura de la habitación en la que se ubica el fotobiorreactor.
Además, para proteger las algas, se conoce el uso de fotobiorreactores configurados por un circuito cerrado, de modo que, a diferencia de los sistemas abiertos y externos, las algas están protegidas contra microorganismos y otros agentes nocivos que tienen efectos negativos sobre el crecimiento de las algas y evitan la infestación de las algas.
Lo anterior incluye la patente española ES2446640B1 del mismo solicitante que describe un fotobiorreactor para el cultivo de algas para uso en interiores, que comprende luces de tipo LED y un conducto tubular hermético sellado en el que se colocan las luces, formado por varias secciones tubulares enfrentadas entre sí y conectadas juntas en sus extremos.
Dicho fotobiorreactor comprende además toberas de suministro ubicadas en la base de las secciones tubulares, una línea de suministro de CO2 , una línea de suministro de nutrientes y varias líneas de suministro de agua condicionadas por temperatura, que corren cerca y a lo largo de la ruta del conducto tubular, que se conectan a dichas toberas de suministro y que se equipan con válvulas de flujo.
Este fotobiorreactor comprende además una pluralidad de sensores distribuidos uniformemente por el conducto tubular para detectar la necesidad de incorporar nutrientes, de CO2 y para aumentar o disminuir la temperatura del agua, y una unidad de control, que recibe las señales de los sensores y que hace funcionar automáticamente las válvulas de flujo de las líneas de suministro para suministrar una cantidad adicional de CO2 , nutrientes o agua condicionada a la temperatura a las diferentes secciones de tubería, en dependencia de las necesidades del proceso de cultivo en vista de las señales detectadas por los sensores y una planta de tratamiento ubicada en extremo del fotobiorreactor para el tratamiento final del producto.
Debido al gran tamaño de dicho fotobiorreactor, es necesario tener grandes espacios interiores para llevar a cabo su instalación, además de elementos colgantes que soportan la iluminación LED, lo que hace que el uso del espacio interior sea muy reducido, con un aumento de los costos y el consumo de energía asociados.
La presente invención supera todos los inconvenientes anteriores a través de un sistema modular de fotobiorreactor que permite el uso máximo del espacio interior donde se dispone, y un consumo de energía muy bajo.
Descripción de la invención
El sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas de la presente invención comprende al menos dos fotobiorreactores de tipo tubular cerrados, diseñados para funcionar de manera continua en una ubicación interior, en la que los tanques de almacenamiento se encuentran en la parte frontal del sistema modular y los circuitos de procesamiento del producto en el extremo del sistema modular para producir aceite de algas y biomasa, en donde al menos dos fotobiorreactores pueden acoplarse uno al lado del otro y/o en diferentes niveles.
El sistema modular de fotobiorreactores objeto de esta invención está completamente automatizado para controlar el proceso de crecimiento en cada una de las secciones de cada uno de los fotobiorreactores, mediante la recopilación de datos y la retroalimentación en cada una de estas secciones, de los elementos y parámetros característicos del proceso de cultivo de algas, preferentemente la cantidad de nutrientes, la cantidad de dióxido de carbono requerida y la temperatura del agua en la que se cultiva el cultivo.
Por lo tanto, un objeto de la presente invención es la disposición particular del sistema modular de fotobiorreactores e instalaciones complementarias para facilitar la medición y el suministro de nutrientes, dióxido de carbono y agua acondicionada a la temperatura a lo largo de las secciones que definen cada fotobiorreactor, así como también la regulación de los parámetros anteriores por una unidad de control.
Cada fotobiorreactor del sistema modular de fotobiorreactores de la presente invención comprende una estructura metálica que a su vez comprende al menos dos secciones tubulares conectadas por uno de sus extremos, en donde en el interior de dichas secciones tubulares se organiza el cultivo de algas y en donde entre dichas secciones tubulares hay otra sección tubular que comprende luces de tipo LED y cuerpos reflectores que reflejan la luz de la iluminación de tipo LED y la transmiten a las secciones tubulares en las que se dispone el cultivo de algas pasando a través de sus paredes laterales.
Además, es digno de mención que las secciones tubulares de cada biorreactor en el que se organiza el cultivo de algas tienen una sección de configuración trapezoidal, con sus lados laterales con una inclinación convergente hacia abajo, en donde dichos lados se hacen de vidrio térmico para reducir al máximo la pérdida de calor del agua en el interior de cada fotobiorreactor. Cada biorreactor se divide en varias secciones tubulares, que pueden medir unos 12 metros, y cada una de dichas secciones tiene en su base toberas de suministro distribuidas convenientemente que conducen a la entrada de CO2 o agua o nutrientes, en dependencia de la línea de suministro que se conecta. Por lo tanto, las secciones tubulares de cada biorreactor donde se disponen las luces de tipo LED y los cuerpos reflectores, tienen una sección de configuración trapezoidal, con sus lados laterales que tienen una inclinación convergente hacia arriba.
Por lo tanto, cada fotobiorreactor tiene luces de tipo LED que eliminan la acción nociva de la luz infrarroja y ultravioleta sobre las algas. Estas luces proporcionan un espectro de 400 nm a 700 nm para permitir una fotosíntesis óptima e ininterrumpida y producir algas cada hora.
Se prevé que el sistema modular de fotobiorreactores también incluya en la unidad de control, medios que regulan la activación de las luces, preferentemente controlando dos tipos de LED, (rojo y azul), con 2 espectros diferentes, de modo que regula qué espectro debe estar activo en todo momento y en las secciones más apropiadas del fotobiorreactor, para promover el crecimiento de algas de acuerdo con su color.
Este sistema modular de fotobiorreactores se ubica preferentemente en un edificio cerrado que normalmente se mantiene a temperatura ambiente entre 15 y 20 °C de forma permanente. En cualquier caso, el sistema modular de fotobiorreactores incorpora un sistema de control que garantiza en todo momento la temperatura óptima del agua en todas las secciones de cada fotobiorreactor.
El sistema modular de fotobiorreactores se conecta a un tanque principal o incubadora que almacena agua sin cloro, algas y nutrientes, mezclados con dióxido de carbono, que se introduce en cada uno de los biorreactores de modo que la composición química resultante proporcione un crecimiento máximo de algas.
Por este motivo, a lo largo del circuito de cada uno de los fotobiorreactores, se dispone una serie de sensores que miden los parámetros característicos del proceso, por ejemplo, ubicados cada 6 metros lineales a lo largo del fotobiorreactor, y que transmiten a la unidad de control, que de manera totalmente automatizada inyecta dióxido de carbono y/o nutrientes y/o agua fría o caliente, en dependencia de la tasa de crecimiento de las algas en diferentes secciones de cada fotobiorreactor, lo que determina la tasa de crecimiento óptimo, obteniendo así una mayor producción que otros sistemas.
El sistema modular de fotobiorreactores también tiene un sistema de autolimpieza mediante inyectores de escaneo que permite un funcionamiento ininterrumpido que no es posible en otros sistemas de circuito cerrado.
Todo el proceso, desde la introducción de las algas en el sistema modular de fotobiorreactores hasta la producción de biodiesel, se realiza de manera totalmente automatizada.
El tamaño y la configuración de la sección de las secciones tubulares, en combinación con la ubicación de las toberas de suministro en la base de cada sección, permite un movimiento conveniente de las algas que resulta en una producción óptima, en donde la proporción de agua/aire dentro de las secciones tubulares es 70/30 por volumen.
Cada fotobiorreactor incluye una sección tubular con una salida más grande que el resto de secciones tubulares, que forma un tanque de almacenamiento y separación para separar el flujo de algas aceitosas que tiene el tamaño apropiado y luego se dirige a la planta de tratamiento, mientras que el resto del flujo se dirige hacia atrás en el tanque principal.
Además, en la parte superior de las secciones tubulares de cada fotobiorreactor, la parte ocupada por aire, son válvulas de escape para facilitar la salida del exceso de oxígeno y/o presión. Estas válvulas pueden ubicarse en la unión entre las secciones tubulares cada 12 m.
Descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que se está realizando y con el propósito de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con una modalidad práctica preferida de la misma, adjunta como parte integral de dicha descripción, hay un conjunto de dibujos en donde, a modo de ilustración, sin limitar el alcance de la invención, se ha representado lo siguiente:
La Figura 1 muestra una vista en elevación del sistema modular de fotobiorreactores de la presente invención en el que se observa la disposición de las secciones tubulares de los fotobiorreactores, y la estructura que los rodea y soporta tanto las luces de tipo LED como los reflectores.
La Figura 2 muestra una vista en sección AA de la Figura 1, en donde los tanques de almacenamiento también se incluyen en la parte frontal de los fotobiorreactores y los sistemas de tratamiento del producto ubicados en el extremo de los fotobiorreactores.
La Figura 3 muestra una vista lateral de la Figura 2.
La Figura 4 muestra una vista del detalle B de la Figura 3, en donde se muestra la parte de la estructura que separa un primer fotobiorreactor y un segundo fotobiorreactor dispuestos encima del primer fotobiorreactor.
La Figura 5 muestra una vista despiezada de la ubicación de los sensores en una sección de cada uno de los fotobiorreactores.
Modalidad preferida de la invención
A continuación, se describe una modalidad preferida de la invención, con referencia a las Figuras 1 a 5 descritas anteriormente.
La Figura 1 muestra una vista en elevación de una primera modalidad del sistema modular de fotobiorreactores de la presente invención formado por un primer fotobiorreactor y un segundo fotobiorreactor dispuesto encima del primer fotobiorreactor, en donde cada fotobiorreactor comprende a su vez una estructura metálica que comprende al menos dos secciones tubulares (5) conectadas por uno de sus extremos, en donde en el interior de dichas secciones tubulares (5) se dispone el cultivo de algas y en donde entre dichas secciones tubulares (5) se dispone otra sección tubular (25) que comprende luces de tipo LED (11) y cuerpos reflectores (12) que reflejan la luz de las luces de tipo LED (11) y la transmiten hacia las secciones tubulares (5) en donde se organiza el cultivo de algas, pasando a través de sus paredes laterales.
Las secciones tubulares (5) de cada biorreactor en donde el cultivo de algas se dispone tienen una sección de configuración trapezoidal, con sus lados laterales que tienen una inclinación convergente hacia abajo para recibir luz de dichos cuerpos reflectores (12). Estos lados laterales se hacen preferentemente de vidrio térmico para un mejor uso de la luz. También es posible que cada una de las secciones tubulares (5) tenga al menos una cubierta superior plegable (13) con respecto a un lado lateral que permite el acceso a la misma. Por lo tanto, las secciones tubulares (25) de cada biorreactor en el que están dispuestas las luces de tipo LED (11) y los cuerpos reflectores (12), tienen una sección de configuración trapezoidal, con sus lados laterales con una inclinación convergente hacia arriba.
En esta primera modalidad, el sistema modular de fotobiorreactores comprende además una estructura de drenaje dispuesta entre la estructura metálica del primer fotobiorreactor y la estructura metálica del segundo fotobiorreactor, en donde dicha estructura de drenaje comprende una pared superior perforada (20) y una pared inferior (21) con un orificio de drenaje (22) para que el agua fluya a través de la pared superior perforada (20) hacia el orificio de drenaje (22) en caso de que se derrame agua del segundo fotobiorreactor dispuesto encima del primer fotobiorreactor.
En una segunda modalidad, los fotobiorreactores se disponen uno al lado del otro.
En una tercera modalidad, una combinación de la primera y segunda modalidad, el sistema comprende al menos tres fotobiorreactores que incluyen un primer fotobiorreactor, un segundo y un tercer fotobiorreactor, en donde el tercer biorreactor se dispone junto al primer biorreactor y en donde el segundo biorreactor se dispone encima o debajo del primer o tercer fotobiorreactor.
El sistema modular de fotobiorreactores se dispone dentro de una instalación en la que se encuentra el tanque principal o incubadora (1) que contiene agua sin cloro, algas y nutrientes, saturados con una mezcla de CO2 , tanques de CO2 (2) y tanques de nutrientes (3), en correspondencia con la entrada de cada fotobiorreactor y una planta de tratamiento (4) ubicada en el extremo del fotobiorreactor para el tratamiento final del producto.
Las secciones tubulares (5) en donde el cultivo de algas se dispone incluyen en su base al menos una tobera de suministro (6), y que comprenden una línea de suministro de CO2 (7), una línea de suministro de nutrientes (8) y varias líneas de suministro de agua acondicionada por temperatura (9), que se distribuyen cerca y a lo largo del conducto tubular, que se conectan a dichas toberas de suministro (6), como se ve con mayor detalle en la Figura 2 y que están equipadas con válvulas de flujo.
Además, cada fotobiorreactor comprende secciones tubulares distribuidas uniformemente (5) en donde se dispone el cultivo de algas, y una serie de sensores de nutrientes (15) que detectan la necesidad de incorporar nutrientes, sensores de CO2 (16), sensores de temperatura (17) que detectan la necesidad de aumentar o disminuir la temperatura del agua y los sensores de pH (18), todos mostrados en la Figura 5, y tiene una unidad de control, que recibe las señales de los sensores y actúa automáticamente sobre las válvulas de flujo de las líneas de suministro (7, 8, 9) para suministrar una cantidad adicional de CO2 , nutrientes o agua acondicionada por temperatura a diferentes secciones tubulares (5), en dependencia de las necesidades del proceso en vista de las señales detectadas por los sensores.
Como se ve en la Figura 2, la línea de suministro de CO2 (7) se conecta y alimenta el tanque de CO2 (2) y la línea de suministro de nutrientes (8) se conecta y alimenta el tanque de nutrientes (3).
Además, cada una de las líneas de suministro de agua acondicionada por temperatura (9) se extiende en correspondencia con diferentes sectores de cada biorreactor. Aquí se distribuyen en correspondencia con cada sector longitudinal paralelo del biorreactor, como se muestra en la Figura 2, para establecer una regulación de temperatura independiente de cada uno de dichos sectores, conectando cada una de dichas líneas de suministro de agua con temperatura (9) a una unidad de calefacción separada (10), normalmente ubicada, como se muestra en la Figura 2, en el extremo de cada sector colocada opuesta a la ubicación de la sección tubular de entrada del fotobiorreactor.
La sección tubular inicial (5) de cada fotobiorreactor, que ocupa la posición de entrada y que se alcanza por el producto que aloja el tanque principal (1) tiene una serie de aberturas (14) distribuidas uniformemente en la cara frontal, siendo aquí 6 en número, diseñado para recibir la mayor cantidad de conductos que llevan el producto desde el tanque principal (1) a cada fotobiorreactor, lo que facilita la entrada uniforme y la distribución del flujo del producto desde el tanque principal (1) en cada fotobiorreactor.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas que comprende al menos dos fotobiorreactores, cada uno de los cuales comprende una estructura metálica que a su vez comprende al menos dos secciones tubulares (5) conectadas por uno de sus extremos, en donde dentro de dichas secciones tubulares (5) se dispone el cultivo de algas y en donde entre dichas secciones tubulares (5), el sistema comprende luces de tipo LED (11) y cuerpos reflectores (12) que reflejan la luz de la iluminación de tipo LED (11) y la transmiten a las secciones tubulares (5) en donde se dispone el cultivo de algas, pasando a través de sus paredes laterales, caracterizado porque el sistema comprende además otra sección tubular (25) dispuesta entre dichas secciones tubulares (5), en donde la otra sección tubular (25) comprende las luces de tipo LED (11) y los cuerpos reflectores (12).
2. Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las secciones tubulares (5) de cada biorreactor en donde se dispone el cultivo de algas tienen una sección de configuración trapezoidal, con sus lados laterales que tienen una inclinación convergente hacia abajo para recibir luz de los cuerpos reflectores (12) y las secciones tubulares (25) de cada biorreactor en donde se disponen las luces de tipo LED (11) y los cuerpos reflectores (12) tienen una sección de configuración trapezoidal, con sus lados laterales con una inclinación convergente hacia arriba.
3. Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque comprende al menos dos fotobiorreactores que incluyen un primer fotobiorreactor y un segundo fotobiorreactor dispuestos encima del primer fotobiorreactor.
4. Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque comprende al menos dos fotobiorreactores que incluyen un primer fotobiorreactor y un segundo fotobiorreactor dispuesto al lado del primer fotobiorreactor.
5. Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque comprende al menos tres fotobiorreactores que incluyen un primer fotobiorreactor, un segundo fotobiorreactor y un tercer fotobiorreactor, en donde el tercer fotobiorreactor se dispone junto al primer biorreactor y en donde el segundo biorreactor se dispone encima o debajo del primer o tercer fotobiorreactor.
6. Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3 o 5, caracterizado por comprender, además una estructura de drenaje dispuesta entre la estructura metálica del primer fotobiorreactor y la estructura metálica del segundo fotobiorreactor, en donde dicha estructura de drenaje comprende una pared superior perforada (20) y una pared inferior (21) con un orificio de drenaje (22) para que el agua fluya a través de la pared superior perforada (20) al orificio de drenaje (22) en caso de derrame de agua del segundo biorreactor dispuesto sobre el primer fotobiorreactor.
7. Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por comprender, además:
toberas de suministro (6) ubicadas en la base de las secciones tubulares (5) en donde se dispone el cultivo de algas, una línea de suministro de CO2 (7), una línea de suministro de nutrientes (8) y varias líneas de suministro de agua acondicionadas por temperatura (9), que se distribuyen cerca y a lo largo de la ruta de las secciones tubulares (5) en donde se disponen las algas en crecimiento, que se conectan a dichas toberas de suministro (6), y están equipadas con válvulas de flujo.
una serie de sensores de nutrientes (15) que detectan la necesidad de incorporar nutrientes, sensores de CO2 (16) y sensores de temperatura (17) que detectan la necesidad de aumentar o disminuir la temperatura del agua, y una unidad de control, que recibe las señales de los sensores y que hace funcionar automáticamente las válvulas de flujo de las líneas de suministro (7, 8, 9) para suministrar una cantidad adicional de CO2 , nutrientes o agua acondicionada por temperatura a diferentes secciones tubulares (5) en las que se dispone el cultivo de algas, de acuerdo con las necesidades del proceso de cultivo en vista de las señales detectadas por los sensores.
8. Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque comprende además una serie de sensores de pH (18).
9. Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque las líneas de suministro de agua acondicionadas por temperatura (9) se extienden por separado en correspondencia con las secciones tubulares (5) en las que se dispone el cultivo de algas en cada fotobiorreactor.
10. Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque cada una de las líneas de suministro de agua acondicionadas por temperatura (9) se conecta a una unidad de calentamiento (10).
11. Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada una de las secciones tubulares (5) en las que se dispone el cultivo de algas de cada fotobiorreactor, tiene al menos una cubierta superior plegable (13) en relación con un lado lateral que permite el acceso a su interior.
12. Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada fotobiorreactor tiene una sección tubular inicial (5) en donde el cultivo de algas se dispone equipado en su parte frontal con una serie de aberturas distribuidas uniformemente (14), destinadas para recibir tantos conductos que portan el producto que se introduce en el fotobiorreactor.
13. Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada luz de tipo LED (11) comprende dos tipos de LED, rojo y azul, con dos espectros diferentes, y la unidad de control tiene medios para regular la activación de estas luces (11) de dos tipos de LED en diferentes secciones tubulares (5) en las que se dispone el cultivo de algas.
14. Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada fotobiorreactor incorpora una sección tubular de salida (5) en la que se dispone el cultivo de algas, que es más grande que las otras secciones tubulares (5) en las que se dispone el cultivo de algas, que constituye un tanque de almacenamiento y separación con salidas superiores para separar el flujo de algas aceitosas, y con varias salidas inferiores, con un área de flujo mayor que las salidas superiores.
15. Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada fotobiorreactor comprende en su parte superior válvulas de escape distribuidas uniformemente para facilitar la salida del exceso de oxígeno y/o presión.
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