ES2892320T3 - 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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ES2892320T3 ES19201723T ES19201723T ES2892320T3 ES 2892320 T3 ES2892320 T3 ES 2892320T3 ES 19201723 T ES19201723 T ES 19201723T ES 19201723 T ES19201723 T ES 19201723T ES 2892320 T3 ES2892320 T3 ES 2892320T3
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Abstract

Un fotobiorreactor para uso en un sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas caracterizado porque el fotobiorreactor comprende: una estructura que comprende al menos una sección tubular (5) para contener el cultivo de algas, luces tipo LED (11) y cuerpos reflectores (12) que se disponen para reflejar la luz de la iluminación tipo LED (11) y transmitirla a la sección tubular (5) en la que se dispone el cultivo de algas, pasando por una pared lateral de dicha sección tubular, boquillas de suministro (6) situadas en la base de dicha sección tubular (5), una línea de suministro de CO2 (7), una línea de suministro de nutrientes (8) y una línea de suministro de agua acondicionada a la temperatura (9), que se distribuyen cerca y a lo largo del trayecto de la sección tubular (5), que se conectan a dichas boquillas de suministro (6), y están equipados con válvulas de flujo, al menos un sensor de nutrientes (15) dispuesto para detectar la necesidad de incorporar nutrientes, al menos un sensor de CO2 (16) y al menos un sensor de temperatura (17) dispuesto para detectar la necesidad de subir o bajar la temperatura del agua, y una unidad de control, que está dispuesta para recibir señales de los sensores y que está dispuesta para operar automáticamente las válvulas de flujo de las líneas de suministro (7, 8, 9) para suministrar una cantidad adicional de CO2, nutrientes o agua acondicionada a la temperatura a dicha sección tubular (5), según las necesidades del proceso de cultivo a la vista de las señales detectadas por los sensores, en donde la unidad de control tiene medios para controlar la activación de las luces tipo LED (11), en donde cada luz tipo LED (11) comprende dos tipos de LED, con dos espectros diferentes, y en donde la unidad de control se dispone para controlar los dos tipos de LED, de modo que regula qué espectro debe estar activo en cada momento y en la sección más adecuada del fotobiorreactor, para favorecer el crecimiento de algas según su color.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas
Objetivos de la invención
La presente invención se refiere a un sistema modular de fotobiorreactores diseñado para el cultivo de algas.
El objeto de la invención es un sistema modular de fotobiorreactores cerrados, destinados al funcionamiento interior con iluminación LED, ininterrumpida y completamente automatizada, con monitorización continua de las variables del proceso, y control de retroalimentación de CO2 y nutrientes, de la temperatura del agua a lo largo de todo el recorrido del fotobiorreactor, que permite aprovechar al máximo el 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 fin de producir biodiesel, cosméticos, farmacéuticos y otros productos.
Hoy en día, el cultivo de algas se realiza principalmente en estanques al aire libre y en fotobiorreactores de plástico o vidrio que pueden tener configuraciones tubulares con diámetros que varían principalmente entre 10 cm y 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 al tanque por el que se bombea. Con la acción de la luz solar, las algas crecen a lo largo de dicho circuito. Sin embargo, estos sistemas no tienen control sobre los espectros de luz a los que están sometidas las algas, ni sobre la cantidad de nutrientes o dióxido de carbono requeridos y tampoco controlan o determinan la temperatura del agua en la que se crece el cultivo.
Para un mayor control sobre los espectros de luz y para un correcto control de la temperatura, alternativamente el fotobiorreactor puede ubicarse en interiores donde se aplique luz artificial en ausencia de los espectros infrarrojos y ultravioleta que son nocivos para las algas, y donde al menos la temperatura de la habitación en la que se encuentra el fotobiorreactor está controlada.
Además y con el fin de proteger las algas, se conoce el uso de fotobiorreactores configurados por un circuito cerrado, de manera que, a diferencia de los sistemas abiertos y externos, las algas están protegidas frente a microorganismos y otros agentes nocivos que tienen efectos negativos sobre el crecimiento de las algas y previenen la infestación de las algas.
Lo anterior incluye la Patente Española ES2446640B1 del mismo solicitante que divulga un fotobiorreactor para el cultivo de algas para uso interior, que comprende luces de tipo LED, y un conducto tubular sellado herméticamente sobre el que se colocan las luces, formado por varias secciones tubulares orientados uno frente al otro y conectados entre sí por sus extremos.
Dicho fotobiorreactor comprende además boquillas 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 acondicionadas a temperatura, que corren cerca y a lo largo del trayecto del conducto tubular, que están conectadas a dichas boquillas de suministro y que están equipadas 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 opera automáticamente las válvulas de flujo de las líneas de suministro para suministrar una cantidad adicional de CO2, nutrientes o agua acondicionada a la temperatura a las distintas secciones de tubería, en función de las necesidades del proceso de cultivo a la vista de las señales detectadas por los sensores y una planta de tratamiento ubicada al final del fotobiorreactor para el tratamiento final del producto.
Debido al gran tamaño de dicho fotobiorreactor, es necesario contar con grandes espacios interiores para llevar a cabo su instalación, además de elementos colgantes que soporten la iluminación LED, lo que hace que el uso del espacio interior sea muy reducido, con el aumento de costes y consumo de energía asociados.
La presente invención supera todos los inconvenientes anteriores a través de un sistema de fotobiorreactor modular que permite el máximo aprovechamiento del espacio interior donde está dispuesto, y un muy bajo consumo de energía.
Descripción detallada de la invención
El sistema modular de fotobiorreactores para cultivo de algas de la presente invención comprende al menos dos fotobiorreactores cerrados de tipo tubular, diseñados para operar de manera continua en una ubicación interior, en los cuales los tanques de almacenamiento se ubican en la parte frontal del sistema modular y los circuitos de procesamiento del producto se ubican al final 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 totalmente automatizado para controlar el proceso de crecimiento en cada una de las secciones de cada uno de los fotobiorreactores, mediante la recogida de datos y retroalimentación en cada una de estas secciones, de los elementos y parámetros característicos del proceso de cultivo de algas, preferiblemente la cantidad de nutrientes, la cantidad de dióxido de carbono requerida y la temperatura del agua a la que crece el cultivo.
Por tanto, un objeto de la presente invención es la disposición particular del sistema modular de fotobiorreactores e instalaciones complementarias para facilitar la medición y suministro de nutrientes, dióxido de carbono y agua acondicionada a la temperatura a lo largo de las secciones que definen cada fotobiorreactor, así como 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 dispone el cultivo de algas y en donde entre dichas secciones tubulares hay otra sección tubular que comprende luces tipo LED y cuerpos reflectores que reflejan la luz de la iluminación tipo LED y la transmiten a las secciones tubulares en las que se dispone el cultivo de algas pasando por sus paredes laterales.
Además, es de destacar que las secciones tubulares de cada biorreactor en el que se dispone el cultivo de algas tienen una sección de configuración trapezoidal, con sus lados laterales con una inclinación convergente hacia abajo, en donde dichos lados son de vidrio térmico para reducir al máximo la pérdida de calor del agua en el interior de cada fotobiorreactor. Cada biorreactor está dividido en varias secciones tubulares, las cuales pueden ser de aproximadamente 12 metros, y cada una de dichas secciones tiene en su base boquillas de suministro convenientemente distribuidas que conducen a la entrada de CO2 o agua o nutrientes, dependiendo de la línea de suministro que esté conectada. Por 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, donde sus lados laterales tienen una inclinación convergente hacia arriba.
Por 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.
Está previsto que el sistema modular de fotobiorreactores incluya también en la unidad de control, medios que regulen la activación de las luces, controlando preferentemente dos tipos de LED, (rojo y azul), con 2 espectros diferentes, de modo que regule qué espectro debe estar activo en todo momento y en las secciones más adecuadas del fotobiorreactor, para favorecer el crecimiento de las algas según su color.
Este sistema modular de fotobiorreactores se ubica preferiblemente en un edificio cerrado normalmente mantenido a temperatura ambiente entre 15 y 20 °C de forma permanente. En cualquier caso, el propio sistema modular de fotobiorreactores incorpora un sistema de control que asegura en todo momento una temperatura óptima del agua a lo largo de todas las secciones de cada fotobiorreactor.
El sistema modular de fotobiorreactores está conectado a un tanque principal o incubadora que almacena agua declorada, algas y nutrientes, mezclados con dióxido de carbono, que se introduce en cada uno de los biorreactores de manera que la composición química resultante proporcione un máximo crecimiento de algas.
Por este motivo previstos a lo largo del circuito de cada uno de los fotobiorreactores se disponen 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 forma totalmente automatizada inyecta dióxido de carbono y/o nutrientes y/o agua fría o caliente, dependiendo de la tasa de crecimiento de las algas en diferentes secciones de cada fotobiorreactor, lo que determina la tasa de crecimiento óptima, obteniendo así una producción superior a otros sistemas.
El sistema modular de fotobiorreactores también tiene un sistema de autolimpieza mediante el escaneo de los inyectores 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 forma totalmente automatizada.
El tamaño y la configuración de sección de las secciones tubulares, en combinación con la ubicación de las boquillas 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 de mayor producción que el resto de las secciones tubulares, que forma un tanque de almacenamiento y separación para la separación del flujo de algas oleaginosas, que tiene el tamaño adecuado que se dirige luego a la planta de tratamiento, mientras que el resto del flujo se dirige hacia atrás hacia el tanque principal.
Además, en la parte superior de las secciones tubulares de cada fotobiorreactor, la parte ocupada por el aire, se encuentran válvulas de escape para facilitar la salida del exceso de oxígeno y/o presión. Estas válvulas se pueden ubicar en la unión entre las secciones tubulares cada 12 m.
Descripción de los dibujos
Como complemento a la descripción que se está realizando y con el fin de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención según una realización práctica preferida de la misma, se adjunta como parte integrante de dicha descripción 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 alzado del sistema modular de fotobiorreactores de la presente invención en la que se observa la disposición de las secciones tubulares de los fotobiorreactores, y la estructura que las rodea y soporta tanto las luces 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 están incluidos en la parte frontal de los fotobiorreactores y los sistemas de tratamiento de 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 dispuesto 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.
Realización preferida de la invención
A continuación se describe una realización preferida de la invención, con referencia a las Figuras 1 a 5 descritas anteriormente.
La Figura 1 muestra una vista en alzado de una primera realización 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 una estructura metálica que a su vez 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 tipo LED (11) y cuerpos reflectores (12) que reflejan la luz de las luces tipo LED (11) y la transmiten hacia las secciones tubulares (5) en las que se dispone el cultivo de algas, pasando por sus paredes laterales.
Las secciones tubulares (5) de cada biorreactor en donde se dispone el cultivo de algas tienen una sección de configuración trapezoidal, donde sus lados laterales tienen una inclinación convergente hacia abajo para recibir luz de dichos cuerpos reflectores (12). Estos lados laterales están fabricados preferiblemente de vidrio térmico para un mejor aprovechamiento 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 permita el acceso a la misma. Por tanto, las secciones tubulares (25) de cada biorreactor en el que se disponen las luces tipo LED (11) y los cuerpos reflectores (12) , tienen una sección de configuración trapezoidal, donde sus lados laterales tienen una inclinación convergente hacia arriba.
En esta primera realización, 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) hasta el orificio de drenaje (22) en caso de que se derrame agua del segundo fotobiorreactor dispuesto encima del primer fotobiorreactor.
En una segunda realización, los fotobiorreactores están dispuestos uno al lado del otro.
En una tercera realización, una combinación de la primera y segunda realización, el sistema comprende al menos tres fotobiorreactores que incluyen un primer fotobiorreactor, un segundo y un tercer fotobiorreactores, en donde el tercer biorreactor se dispone al lado del 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 declorada, algas y nutrientes, saturada con una mezcla de CO2, tanques de CO2 (2) y un tanque 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 se dispone el cultivo de algas incluyen en su base al menos una boquilla 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 a la temperatura (9), que se distribuyen cerca y a lo largo del conducto tubular, que se conectan a dichas boquillas de suministro (6), como se ve con mayor detalle en la Figura 2 y que están equipadas con válvulas de flujo.
Asimismo, cada fotobiorreactor comprende secciones tubulares uniformemente distribuidas (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 necesita aumentar o disminuir la temperatura del agua y los sensores de pH (18), todo lo que se muestra 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 a la temperatura a diferentes secciones tubulares (5), dependiendo 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) está conectada y alimenta el tanque de CO2 (2) y la línea de suministro de nutrientes (8) está conectada y alimenta el tanque de nutrientes (3).
Además, cada una de las líneas de suministro de agua acondicionada a la temperatura (9) se extienden en correspondencia con diferentes sectores de cada biorreactor. Aquí estos 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, cada una de dichas líneas de suministro de agua acondicionada a la temperatura (9) está conectada a una unidad de calentamiento separada (10), normalmente ubicada, como se muestra en la Figura 2, al final de cada sector ubicado frente 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 a la que llega el producto que aloja el tanque principal (1) tiene una serie de aberturas (14) distribuidas uniformemente en la cara frontal, aquí en un número de 6, diseñadas para recibir la mayor cantidad de conductos que lleven producto desde el tanque principal (1) a cada fotobiorreactor, facilitando así la entrada y distribución uniforme del flujo de producto desde el tanque principal (1) en cada fotobiorreactor.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Un fotobiorreactor para uso en un sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas caracterizado porque el fotobiorreactor comprende:
una estructura que comprende al menos una sección tubular (5) para contener el cultivo de algas, luces tipo LED (11) y cuerpos reflectores (12) que se disponen para reflejar la luz de la iluminación tipo LED (11) y transmitirla a la sección tubular (5) en la que se dispone el cultivo de algas, pasando por una pared lateral de dicha sección tubular,
boquillas de suministro (6) situadas en la base de dicha sección tubular (5),
una línea de suministro de CO2 (7), una línea de suministro de nutrientes (8) y una línea de suministro de agua acondicionada a la temperatura (9), que se distribuyen cerca y a lo largo del trayecto de la sección tubular (5), que se conectan a dichas boquillas de suministro (6), y están equipados con válvulas de flujo, al menos un sensor de nutrientes (15) dispuesto para detectar la necesidad de incorporar nutrientes, al menos un sensor de CO2 (16) y al menos un sensor de temperatura (17) dispuesto para detectar la necesidad de subir o bajar la temperatura del agua, y
una unidad de control, que está dispuesta para recibir señales de los sensores y que está dispuesta para operar automáticamente las válvulas de flujo de las líneas de suministro (7, 8, 9) para suministrar una cantidad adicional de CO2, nutrientes o agua acondicionada a la temperatura a dicha sección tubular (5), según las necesidades del proceso de cultivo a la vista de las señales detectadas por los sensores, en donde la unidad de control tiene medios para controlar la activación de las luces tipo LED (11), en donde cada luz tipo LED (11) comprende dos tipos de LED, con dos espectros diferentes, y
en donde la unidad de control se dispone para controlar los dos tipos de LED, de modo que regula qué espectro debe estar activo en cada momento y en la sección más adecuada del fotobiorreactor, para favorecer el crecimiento de algas según su color.
2. El fotobiorreactor según la reivindicación 1, en donde la estructura comprende una estructura metálica.
3. El fotobiorreactor de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde la unidad de control se dispone para controlar los dos tipos de LED, de manera que regula qué espectro debe estar activo en cada momento y en la sección más adecuada del fotobiorreactor, para promover el crecimiento de algas según su color y biocompuestos dentro de la célula de algas.
4. El fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además al menos un sensor de pH (18).
5. El fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la línea de suministro de agua acondicionada a temperatura (9) está conectada a una unidad de calentamiento (10).
6. El fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el fotobiorreactor comprende en su parte superior válvulas de escape distribuidas uniformemente para facilitar la salida del exceso de oxígeno y/o presión.
7. Un sistema modular que comprende al menos dos fotobiorreactores según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sistema modular comprende al menos dos secciones tubulares (5) conectadas por uno de sus extremos.
8. El sistema modular de acuerdo con la reivindicación 7, que incluye un primer fotobiorreactor y un segundo fotobiorreactor dispuesto al lado del primer fotobiorreactor.
9. El sistema modular de acuerdo con la reivindicación 7, que incluye un primer fotobiorreactor y un segundo fotobiorreactor dispuesto encima del primer fotobiorreactor.
10. El sistema modular según la reivindicación 8, que comprende además un tercer fotobiorreactor, en donde el tercer fotobiorreactor se dispone encima o debajo del primer fotobiorreactor.
11. El sistema modular según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en donde cada fotobiorreactor tiene una sección tubular inicial (5) en donde el cultivo de algas se dispone equipado en su cara frontal de una serie de aberturas uniformemente distribuidas (14), destinadas a recibir tantos conductos que llevan el producto como se introducen en el fotobiorreactor.
12. El sistema modular según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, en donde 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, la cual constituye un tanque de almacenamiento y separación con salidas superiores para separar el flujo de algas oleaginosas, y con varias salidas inferiores, con un área de flujo mayor que las salidas superiores.
ES19201723T 2015-05-13 2015-05-13 Sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas Active ES2892320T3 (es)

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