ES2958941T3 - Método y sistema para el cultivo heterotrófico y mixotrófico de microalgas - Google Patents

Método y sistema para el cultivo heterotrófico y mixotrófico de microalgas Download PDF

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Abstract

La invención se refiere a un método para el cultivo heterótrofo y mixotrófico simultáneo de microalgas, a un sistema para el cultivo heterótrofo y mixotrófico simultáneo de microalgas, y al uso del método y/o sistema para cultivar microalgas. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método y sistema para el cultivo heterotrófico y mixotrófico de microalgas
La invención se refiere a un método para el cultivo simultáneo heterotrófico y mixotrófico de microalgas, a un sistema para el cultivo heterotrófico y mixotrófico simultáneo de microalgas y al uso del sistema para el cultivo de microalgas.
Las microalgas son un recurso valioso para la producción de alimentos y piensos, productos químicos finos, productos farmacéuticos y cosméticos porque son capaces de hacer crecer sustancias orgánicas del dióxido de carbono contenido en el aire y nutrientes minerales esenciales en presencia de luz mientras liberan oxígeno. Este proceso se denomina fototrofia.
Un número considerable de microalgas todavía puede hacer crecer biomasa orgánica a partir de sustratos orgánicos adecuados y nutrientes minerales esenciales en presencia de oxígeno, incluso en ausencia de luz, usando la energía química almacenada en los sustratos orgánicos. Este proceso se denomina heterotrofia. Algunas de estas microalgas pueden actuar simultáneamente fototróficamente y heterotróficamente. Esta forma se denomina mixotrofia.
Un requisito previo para el cultivo fototrófico en una escala industrialmente relevante es la suficiente disponibilidad de carbono inorgánico en el sistema de cultivo. La adición de carbono inorgánico tiene lugar principalmente introduciendo dióxido de carbono gaseoso o hidrogenocarbonato en el medio de cultivo. Otro requisito previo para el cultivo fototrófico es la provisión de las intensidades de luz requeridas en la suspensión de cultivo por medidas estructurales, en particular al guiar el medio de cultivo en capas que son tan delgadas como sea posible, así como la mayor turbulencia posible dentro de los cultivos para asegurar el suministro de nutrientes, el intercambio de gases y la disponibilidad de la luz necesarios en cultivos densos.
Se han establecido dos formas diferentes de sistemas de cultivo para el cultivo fototrófico de microalgas a escala industrial (Lee 2001). Una forma es el cultivo de microalgas en dispositivos abiertos. Las instalaciones en las que las microalgas a cultivar están en contacto directo con el entorno para asegurar que la entrada de luz requerida para el proceso de cultivo se denominan dispositivos abiertos o sistemas abiertos. Los dispositivos abiertos para el cultivo de microalgas pueden ser lagos naturales, piscinas, embalses (“ estanques” ) y cursos artificiales de río (“ estanques de pista de rodadura” ), en los que las microalgas se cultivan por dióxido de carbono que se suministra desde el aire o mediante la alimentación directa de dióxido de carbono o mezclas de dióxido de carbono en el medio de cultivo acuoso que contiene los nutrientes minerales requeridos. Alternativamente, el hidrogenocarbonato también puede actuar como una fuente de carbono para ciertos tipos de algas dentro de los intervalos de pH apropiados. El intercambio de gas requerido, que incluye la descarga del oxígeno formado durante la fotosíntesis, tiene lugar en la superficie del agua en contacto directo con el aire ambiente. El medio puede mezclarse completamente por viento, soplado en aire, por agitadores o haciendo circular el medio mediante bombeo. En la mayoría de los casos, la profundidad del agua es inferior a 30 cm para asegurar la entrada de luz requerida, en particular por la luz solar. Los sistemas abiertos también pueden estar provistos de cubiertas transparentes para reducir los efectos de la intemperie y la entrada de contaminantes.
Los inconvenientes de los sistemas abiertos son alta susceptibilidad a la contaminación de una naturaleza microbiana y química, las altas pérdidas de agua debido a la evaporación, baja eficiencia de la fotosíntesis debido a la baja presión parcial de dióxido de carbono atmosférico, así como bajas densidades de biomasa, en particular menos de 1 g/l, y bajos rendimientos de espacio/tiempo.
En casos seleccionados, los sistemas abiertos también pueden operarse mixotróficamente. Tales métodos están limitados a algunas especies de algas de crecimiento muy rápido que prefieren un entorno hipertrófico, por ejemplo, representantes de la agrupaciónChlorellaque también tolera las bacterias adjuntas inherentes a estos procesos. En tales métodos, el acetato actúa preferiblemente como la fuente de carbono orgánico. La gama de aplicaciones de procesos mixotróficos en sistemas abiertos es baja debido al riesgo drásticamente aumentado de contaminación microbiana debido a la adición de nutrientes orgánicos. Los productos de tales métodos deben purificarse y pasteurizarse en un proceso complejo.
Otra forma del cultivo fototrófico de microalgas es el cultivo en dispositivos cerrados, también denominados fotobiorreactores (PBR). Los dispositivos en los que el medio de cultivo que contiene las microalgas se ubica en cámaras de reacción transparentes para proteger del entorno se denominan fotobiorreactores. Se usan preferiblemente dispositivos tubulares o cuboidales, así como sistemas basados en bolsas tubulares. El vidrio y diversos polímeros transparentes tales como poli(cloruro de vinilo) (PVC), poliacrilato, polietileno o silicona (DE 102009045851 A1) se usan como materiales preferidos para los dispositivos. En dispositivos cerrados, el dióxido de carbono requerido para la fotosíntesis se alimenta y el oxígeno liberado durante la fotosíntesis se descarga, mayores presiones parciales de dióxido de carbono y, por lo tanto, mayores densidades de biomasa y mayor productividad que se logra que en los sistemas abiertos. Para optimizar el rendimiento de la luz y aumentar los rendimientos de espacio/tiempo, el grosor de la capa del medio de cultivo se mantiene bajo y la turbulencia requerida se genera bombeando la suspensión alrededor o la introducción de gases de proceso. El riesgo de contaminación por xenobióticos se reduce ventajosamente por medio de sistemas cerrados en comparación con sistemas abiertos, con el riesgo de contaminación microbiológica solo marginalmente menor debido a la manera de operación no estéril que es estándar en instalaciones a gran escala.
Los sistemas cerrados todavía se usan para cultivo mixotrófico o heterótrofo, con tanques o sistemas de fermentador convencionales que se usan para el cultivo heterotrófico. El control de proceso estéril es un requisito previo para el cultivo heterótrofa de gran volumen. Para el cultivo heterotrófico con la adición de oxígeno y una fuente de carbono, en particular una fuente de carbono orgánica, preferiblemente glucosa, se obtienen ventajosamente densidades de biomasa más altas en la suspensión de cultivo. Desventajosamente, la composición de biomasa de microalgas producida heterotrómicamente difiere de la biomasa de microalgas producida fototróficamente, con algunos ingredientes económicamente atractivos, por ejemplo vitaminas y carotenoides, que solo se forman en el cultivo fototrófico.
La combinación de cultivo heterótrofa y fototrófico de microalgas con capacidad de refuerzo dual proporciona una posible alternativa. El documento DE 102008059562 A1 describe un método de cultivo para microalgas heterótrofas que comprende cultivo heterotrófico y el cultivo en un fotobiorreactor en condiciones autotróficas o mixotróficas, preferiblemente en condiciones autotróficas.
Ogunna y Tanaka describen la necesidad de luz y el uso eficiente de la luz en fotobiorreactores, en particular a través de una combinación de cultivo heterotrófico y fototrófico o cultivo heterotrófico/fototrófico secuencial o cíclico (Oghuna y Tanaka 2000). Además de los procesos de cultivo fotoautótrofo y fotoheterotrófico operados por separado, es decir, el documento describe un cultivo secuencial heterotrófico/fotoautótrofo en el que, después de que se ha tenido lugar el cultivo heterotrófico, el proceso continúa en una unidad de cultivo separada en condiciones fotoautótrofas hasta que se forman los productos deseados. Además, se describe una variante, conocida como control de proceso cíclico, para cultivo de microalgas, que se basa en etapas de método heterotróficas y fotoautótrofas periódicamente sucesivas.
Además, Ogunna ycol.describen el cultivo secuencial auxotrófico/fototrófico deChlorellausando fermentadores y fotobiorreactores tubulares o fotobiorreactores iluminados internamente, lográndose un aumento en la proteína y contenido de clorofila (Oghubna y col. 1997). La transición de cultivo heterotrófico a fototrófico tiene lugar después de que la fuente de carbono orgánico se haya consumido completamente con el fin de suprimir la contaminación microbiológica.
La combinación de cultivo heterotrófico y fototrófico en un dispositivo bajo la influencia de la luz y en presencia de una fuente de carbono orgánico conduce a asimilación mixotrófica, con ventajosamente solo ingredientes fototróficos accesibles de otra manera que se forman sin tiempos de adaptación no productivos que ocurren durante la transición a la otra forma de cultivo. Un requisito previo para la asimilación mixotrófica es un suministro adecuado de luz en las condiciones de baja luz requeridas para procesos mixotróficos, que es por qué solo se pueden usar bajas densidades de biomasa.
Por lo tanto, el problema abordado por la presente invención es combinar métodos para el cultivo heterotrófico y mixotrófico de microalgas entre sí mientras se evita los inconvenientes descritos anteriormente.
Además, el problema abordado por la invención es proporcionar un método para cultivar microalgas con altas densidades de biomasa y altos rendimientos de espacio/tiempo.
Según la invención, el problema se resuelve mediante el método según la invención para el cultivo simultáneo heterotrófico y mixotrófico de microalgas, que comprende las etapas de
a) proporcionar un inóculo que comprende al menos una cepa de microalgas e inocular un medio de cultivo con el inóculo,
b) cultivar la al menos una cepa de microalgas en un primer dispositivo en condiciones de cultivo heterotrófico,
c) cultivar la al menos una cepa de microalgas en un segundo dispositivo en condiciones de cultivo mixotrófico,
en donde al menos una parte de la al menos una cepa de microalgas se transporta desde el primer dispositivo en la etapa b) hasta el segundo dispositivo en la etapa c) y/o desde el segundo dispositivo en la etapa c) hasta el primer dispositivo en la etapa b),
en donde un gas de proceso se introduce en el extremo inferior del segundo dispositivo,
en donde el gas de proceso se introduce para que esté al menos parcialmente comprimido o al menos parcialmente condensado.
Ventajosamente, el método según la invención para el cultivo de microalgas permite altas densidades de biomasa y altos rendimientos de espacio/tiempo. También ventajosamente, las microalgas, cultivadas por el método según la invención, forman ingredientes que solo se forman en el cultivo fototrófico. También ventajosamente, las microalgas cultivadas por medio del método según la invención pueden usarse sin fases de adaptación adicionales para etapas de método posterior, en particular heterotróficas o mezclótrofas, o pueden someterse a procesamiento posterior directo.
Según la invención, “ cultivo simultáneo heterotrófico y mixotrófico de microalgas” es el cultivo heterótrofa simultáneo después de la etapa b) y el cultivo mixotrópico después de la etapa c) de al menos una porción de la al menos una cepa de microalgas. El cultivo simultáneo heterotrófico y mixotrófico de microalgas tiene lugar preferiblemente en regiones separadas de un sistema de reactor, en particular en un primer y un segundo dispositivo, que están permanentemente interconectados por al menos un elemento de conexión.
Según la invención, “ cultivo heterotrófico” significa cultivo en presencia de sustratos orgánicos, nutrientes minerales esenciales y oxígeno. El cultivo heterotrófico hace posible proporcionar altas concentraciones de microalgas.
Se entiende que “ sustratos orgánicos” son fuentes de carbono orgánicas. En una realización, los sustratos orgánicos se seleccionan de glucosa, ácido acético, acetatos, lactatos, etanol, urea y/o glutamato. En otra realización, los sustratos orgánicos se seleccionan de residuos de fermentación líquidos filtrados y esterilizados de la producción de biogás, hidrolizados a partir de materias primas que contienen almidón, preferiblemente pequeños extractos de patata o maíz o levadura.
Se entiende que “ nutrientes minerales esenciales” son compuestos de nitrógeno, en particular nitratos, nitritos, amoniaco, compuestos de amonio y/o urea; compuestos de fósforo, en particular fosfatos y/o fosfitos; compuestos de azufre, en particular sulfatos de azufre; y compuestos de potasio, magnesio, calcio o hierro y compuestos de oligoelementos, en particular ácido bórico, sulfato de cobalto, sulfato de cobre y/o sulfato de zinc. En una realización, los nutrientes minerales esenciales comprenden compuestos orgánicos de fósforo y azufre mineralizablesin situ,preferiblemente fosfonatos y/o metilsulfonilmetano.
Según la invención, se entiende que “ cultivo mixotrófico” es el cultivo fototrófico y heterótrofo simultáneo.
Se entiende que “ cultivo fototrófico” es el cultivo en presencia de nutrientes minerales esenciales, dióxido de carbono y luz.
Se entiende que “ microalgas” son organismos microscópicos, eucariotas que viven en agua y realizan la fotosíntesis. Se entiende que los organismos microscópicos son organismos con una longitud máxima de 1 mm.
Según la invención, se utiliza la capacidad de diferentes microalgas para generar simultáneamente crecimiento fototrófico y heterótrofo. En una realización del método, tiene lugar el cultivo de microalgas heterotróficas, preferiblemente clorofitas, en particularChlorella, Scenedesmus, Muriellopsis, Tetraselmis,particularly preferiblementeChlorella vulgaris, Chlorella sorokiniana, Chlorella regularis, Chlorella zofingiensis, Chlorella protothecoides, Parachlorella kesslerioScenedsmus vakuolatus;o diatomeas, en particularOdontella auritaoPhaeodactylum trikornutum;o especies de Euglena, en particularEuglena gracilis;o Haptophyta, preferiblemente especies deIsochrysiso especies dePavlova.Se entiende que una “ microalga heterotrófica” es una microalga que hace crecer biomasa orgánica en presencia de sustratos orgánicos, nutrientes minerales esenciales y oxígeno incluso en ausencia de luz.
Se entiende que un “ inóculo” es células microalgas para inocular un medio de cultivo en un dispositivo, preferiblemente un primer medio de cultivo que contiene células microalgas para inocular un segundo medio de cultivo en un dispositivo. “ Inoculación” se entiende que es la adición de un objeto capaz de replicarse, en particular una célula, a un medio de cultivo. “ Inoculación” se entiende preferiblemente que añade un primer medio de cultivo que contiene una célula a un segundo medio de cultivo.
Se entiende que un “ medio de cultivo” es una solución acuosa para el cultivo de microalgas. En una realización, el medio de cultivo es una solución tampón acuosa. En una realización preferida, el medio de cultivo comprende sustratos orgánicos y/o nutrientes minerales esenciales.
En una realización del método, la inoculación de un medio de cultivo con el inóculo en la etapa a) comprende etapas individuales de subcultivo con volúmenes de cultivo crecientes, preferiblemente tres etapas de subcultivo, con una dilución con medio de cultivo que tiene un factor de dilución de 10 que es particularmente preferido en cada caso.
En una realización del método, las etapas individuales de subcultivo tienen lugar en las mismas condiciones, preferiblemente con el mismo medio de cultivo que el cultivo de la al menos una cepa de microalgas en un primer dispositivo en condiciones de cultivo heterotrófico en la etapa b).
En una realización del método, el medio de cultivo, después de la inoculación en la etapa a), se transfiere al primer dispositivo para cultivar la al menos una cepa de microalgas en condiciones de cultivo heterotrófico en la etapa b).
En una realización del método, se añade un sustrato orgánico de manera clocada o continua en el cultivo de al menos una cepa de microalgas en un primer dispositivo en condiciones de cultivo heterotrófico en la etapa b).
En una realización del método, la al menos una cepa de microalgas se cultiva en un primer dispositivo en condiciones de cultivo heterotrófico en la etapa b) con agitación, preferiblemente a una velocidad de agitación de 10 rpm a 1000 rpm.
Ventajosamente, la introducción del gas de proceso en el extremo inferior del segundo dispositivo y la compresión al menos parcial o al menos una condensación parcial del gas de proceso dan como resultado la formación de burbujas de gas que fluyen a través del segundo dispositivo, como resultado de lo cual se producen capas delgadas en el cultivo de microalgas entre la pared del segundo dispositivo y burbujas de gas. También ventajosamente, las capas delgadas aseguran que las microalgas se suministren adecuadamente con luz.
En una realización del método, el gas de proceso en la etapa c) es aire o una mezcla de aire enriquecido con dióxido de carbono, preferiblemente un gas de escape del cultivo heterótrofa del primer dispositivo o producido a partir de gases técnicos. En una realización, la composición y la cantidad del gas de proceso introducido en la etapa c) están adaptadas a la secuencia de proceso.
Se entiende que “ aire” es una mezcla de gases que comprende nitrógeno y oxígeno y, en pequeñas cantidades, preferiblemente menos del 0,1 % en volumen, dióxido de carbono. Se entiende que una “ mezcla de aire enriquecida con dióxido de carbono” es una mezcla de gases que comprende nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono que tiene un contenido de dióxido de carbono del 0,1 % en volumen al 20 % en volumen.
En una realización del método, se introduce un gas de proceso adicional en el primer dispositivo en la etapa b), siendo el gas de proceso adicional preferiblemente una mezcla de gases o gas que contiene oxígeno. Se entiende que un “ gas o mezcla de gases que contiene oxígeno” es un gas o mezcla de gases que contiene oxígeno en una proporción del 21 % en volumen al 100 % en volumen.
En una realización preferida del método, la composición y la cantidad de gas o mezcla de gases que contiene oxígeno introducida en la etapa b) se adaptan a la secuencia del proceso.
En una realización del método, el gas de proceso se introduce de manera cronometrada o continua. Se entiende que “ cronometrado” significa la introducción del gas de proceso en forma de burbujas de gas separadas sucesivas. El gas de proceso se introduce preferiblemente de manera cronometrada con un tiempo de inyección de 0,1 s a 10 s, con de 0,5 a 50 inyecciones por minuto.
En una realización del método, la cantidad de gas de proceso introducido es de 1 cm3/s a 100.000 cm3/s, preferiblemente de 1 cm3/s a 10.000 cm3/s, particularmente preferiblemente de 10 cm3/s a 1000 cm3/s.
En una realización del método, la presión del gas de proceso introducido es de 0,3 bar a 5 bar por encima de la presión hidrostática de los dispositivos primero y segundo, preferiblemente de 0,5 a 2,5 bar por encima de la presión hidrostática de los dispositivos primero y segundo, particularmente preferiblemente de 0,5 a 1,5 bar por encima de la presión hidrostática de los dispositivos primero y segundo.
En una realización del método, la presión del sistema del primer dispositivo y el segundo dispositivo es idéntica.
En modos de realización adicionales del procedimiento, al menos una parte de la al menos una cepa de microalgas se transporta de manera cronometrada o continua desde el primer dispositivo en la etapa b) en el segundo dispositivo en la etapa c) y/o desde el segundo dispositivo en la etapa c) en el primer dispositivo en la etapa b).
En realizaciones preferidas del método, al menos una parte de la al menos una cepa de microalgas se transporta de manera cronometrada o continua desde el primer dispositivo en la etapa b) en el segundo dispositivo en la etapa c) y desde el segundo dispositivo en la etapa c) en el primer dispositivo en la etapa b).
En una realización particularmente preferida, el tiempo de permanencia de la parte de la al menos una cepa de microalgas en el segundo dispositivo es de entre 60 s y 3600 s.
El transporte cronometrado o continuo se lleva a cabo preferiblemente introduciendo un gas de proceso en la etapa c) o mediante una bomba o introduciendo un gas de proceso en la etapa c) y una bomba.
En un modo de realización del procedimiento, el volumen de la parte de transporte manual o continua de la al menos una cepa de microalgas desde el primer dispositivo en la etapa b) hasta el segundo dispositivo en la etapa c) y/o desde el segundo dispositivo en la etapa c) hasta el primer dispositivo en la etapa b) es de dos veces a diez veces el volumen de llenado del segundo dispositivo por hora, preferiblemente cuatro veces el volumen de llenado del segundo dispositivo por hora. Se entiende que el volumen de llenado es el volumen de la al menos una cepa de microalgas en medio de cultivo en un dispositivo.
En una realización del método, la temperatura de la al menos una cepa de microalgas en medio de cultivo en el primer dispositivo y/o en el segundo dispositivo está en el intervalo de 10 °C a 40 °C. En una realización adicional, la diferencia en temperaturas de la al menos una cepa de microalgas en medio de cultivo en el primer dispositivo y en el segundo dispositivo es de 1 K a 10 K.
En una realización del método, el pH de la al menos una cepa de microalgas en medio de cultivo en el primer dispositivo y/o en el segundo dispositivo está en el intervalo de pH 5,5 a pH 9,5, preferiblemente en el intervalo de pH 6,0 a pH 8,5, particularmente preferiblemente en el intervalo de pH 6,5 a pH 7,5.
En realizaciones adicionales, el método según la invención comprende al menos una etapa adicional, la etapa adicional se selecciona de cultivo fototrófico, cultivo mixotrópico, cosechando la biomasa y/o secando la biomasa recolectada. “ Cosecha de la biomasa” se entiende que significa la separación de las microalgas del medio de cultivo.
La invención también se refiere a un sistema para el cultivo simultáneo heterotrófico y mixotrófico de microalgas, que comprende
i. un primer dispositivo, estando diseñado el primer dispositivo para cultivo heterótrofo,
ii. un segundo dispositivo que comprende un tubo hecho de material translúcido y al menos una fuente de luz, estando diseñado el segundo dispositivo para el cultivo mixotrópico,
iii. un primer elemento de conexión para conectar el primer dispositivo al segundo dispositivo,
en donde el primer elemento de conexión conecta la parte inferior del primer dispositivo a la entrada del segundo dispositivo,
iv. un segundo elemento de conexión para conectar el primer dispositivo al segundo dispositivo,
en donde el segundo elemento de conexión conecta la parte superior del primer dispositivo a la salida del segundo dispositivo,
en donde el segundo dispositivo comprende un inyector para introducir un gas de proceso en el extremo inferior o el primer elemento de conexión.
Se entiende que la entrada del segundo dispositivo es el extremo inferior del segundo dispositivo y se entiende que la salida del segundo dispositivo es el extremo superior del segundo dispositivo.
En una realización, el sistema según la invención es un sistema cerrado. Un sistema cerrado reduce ventajosamente el riesgo de contaminación. También se logra ventajosamente una presión de gas de proceso más alta. La evaporación del medio de cultivo también se previene ventajosamente. Las densidades de biomasa más altas en la suspensión de cultivo también se logran ventajosamente.
El primer dispositivo, diseñado para cultivo heterotrófico, es preferiblemente un tanque agitado cerrado que puede operarse en condiciones estériles, particularmente preferiblemente con una relación de diámetro a altura en el intervalo de 1:1 a 1:3.
En una realización, el primer dispositivo es un fermentador, preferiblemente un fermentador de suministro de temperatura controlable por temperatura y/o de proceso controlable por temperatura. En una realización, el fermentador comprende un aparato de agitación, preferiblemente un agitador, particularmente preferiblemente un agitador de turbina Rushton, y/o un inyector para introducir un gas de proceso.
El tubo hecho de material translúcido es preferiblemente un tubo de flujo. Se entiende que un tubo de flujo es un tubo que permite el transporte en frío o continuo de microalgas, en particular el transporte de una porción de al menos una cepa de microalgas con un volumen en el intervalo de dos veces a diez veces el volumen de llenado del tubo hecho de material translúcido por hora, preferiblemente cuatro veces el volumen de llenado del tubo hecho de material translúcido por hora.
En una realización, el tubo hecho de material translúcido es una unidad colectora de un fotobiorreactor. Se entiende que una unidad colectora de un fotobiorreactor es la parte de un fotobiorreactor que tiene superficies de entrada de luz.
El sistema para el cultivo heterotrófico y mixotrófico simultáneo de microalgas tiene preferiblemente una relación del volumen del primer dispositivo al volumen del tubo hecho de material translúcido en el intervalo de 10:1 a 1:5.
En una realización del sistema, el tubo que consiste en material translúcido está dispuesto para ascender en forma de espiral alrededor de un bastidor de soporte en forma de cono truncado o cilindro hueco, comprendiendo el bastidor de soporte al menos una fuente de luz.
En una realización del sistema, el segundo dispositivo comprende al menos una fuente de luz adicional para irradiar el tubo hecho de material translúcido desde el exterior, siendo la al menos una fuente de luz adicional preferiblemente una luz de superficie.
En una realización del sistema, el material translúcido se selecciona de vidrio o polímeros transparentes, preferiblemente siliconas, poli(cloruro de vinilo) (PVC), poliacrilatos, polietileno o vidrio de borosilicato.
En una realización del sistema, el tubo hecho de material translúcido comprende al menos un material adicional seleccionado de materiales permeables a UV y UVC, preferiblemente vidrio de cuarzo.
En una realización del sistema, la al menos una fuente de luz se selecciona de una lámpara de vapor de sodio o una luz de LED.
En una realización preferida del sistema, la al menos una fuente de luz tiene una longitud de onda en el intervalo de 400 nm a 520 nm o de 600 nm a 720 nm.
En una realización del sistema, la al menos una fuente de luz tiene una salida de luz en el intervalo de 1 W/m2 a 150 W/m2.
En una realización del sistema, el segundo dispositivo comprende al menos una fuente de luz adicional, la al menos una fuente de luz adicional que tiene una longitud de onda en el intervalo de 280 nm a 320 nm.
En una realización del sistema, el primer dispositivo y/o el segundo dispositivo pueden esterilizarse. En una realización del sistema, el primer elemento de conexión y/o el segundo elemento de conexión pueden esterilizarse, y son preferiblemente una pestaña esterilizable.
En una realización del sistema, el segundo dispositivo comprende una bomba, preferiblemente una bomba de lóbulo giratorio. Preferiblemente, la bomba está dispuesta aguas abajo del primer elemento de conexión.
Otro aspecto de la invención se refiere al uso del método según la invención o el sistema según la invención para el cultivo de microalgas.
Para implementar la invención, también es conveniente combinar las realizaciones y características descritas anteriormente de las reivindicaciones.
Realizaciones
La invención se explicará con mayor detalle a continuación con referencia a algunas realizaciones y dibujos adjuntos. Las realizaciones están destinadas a describir la invención sin tener un efecto limitante sobre la misma.
La Figura 1muestra una vista esquemática del sistema según la invención para el cultivo heterotrófico y mezclotrófico simultáneo de microalgas que comprende un primer dispositivo1y un segundo dispositivo2que comprende un tubo hecho de material translúcido. El primer dispositivo1está diseñado para cultivo heterotrófico y es preferiblemente un tanque de agitación cerrado que puede operarse en condiciones estériles. El primer dispositivo1preferiblemente comprende un inyector para introducir un gas de proceso5y un agitador6, especialmente preferiblemente un agitador de turbina Rushton. En la región inferior del primer dispositivo1, hay un primer elemento de conexión3para la conexión estanca del primer dispositivo1al segundo dispositivo2. El segundo dispositivo1preferiblemente comprende una bomba7, particularmente preferiblemente una bomba de lóbulo rotatorio esterilizable. La bomba7se conecta al tubo hecho de material translúcido, un inyector para introducir un gas de proceso10para el cultivo mixotrópico que se ubica entre la bomba7y el tubo hecho de material translúcido. El tubo hecho de material translúcido está dispuesto para ascender alrededor de un bastidor de soporte (no mostrado). La primera fuente de luz8permite la iluminación desde el interior y la segunda fuente de luz9permite la iluminación desde el exterior. La salida o el extremo superior del tubo hecho de material translúcido se conecta de manera hermética a la parte superior del primer dispositivo1a través de un segundo elemento de conexión4.
Realización 1:
Chlorella sorokinianase cultiva en una instalación según la invención según la Figura 1. El primer dispositivo 1 y el segundo dispositivo 2 tienen cada uno un volumen de trabajo de 400 l.
El sistema se llena con 600 l de medio de cultivo I y se esteriliza. El medio de cultivo I está compuesto de la siguiente manera: 1, 5 g/l de KNO3 50 mg/l de KH2PO 4 100 mg/l de MgSO4-7H2O; 14 mg/l de FeSO4-7H2O; 1 mg/l de MnSO4-5H2O; 0,7 mg de ZnSO4-7H2O; 0,06 mg/l de H3BO 3; 0,024 mg/l de C0SO47 H2O; 0,024 mg/l de CuSO4-5H2O; 0. 01 mg/l (de NH4)6Mo7O24-4H2O y 10 g/l de glucosa, la glucosa se esterilizó por separado y solo se añade después de que se haya esterilizado el medio. El medio de cultivo se inocula con 30 l de inóculo que contiene aproximadamente 20 g/l deChlorella sorokinianaa través del primer dispositivo 1 y se bombea continuamente al segundo dispositivo 2 con agitación en el primer dispositivo 1 y desde allí al primer dispositivo 1. El segundo dispositivo 2 se ilumina con luz en la PAR (radiación fotosintética activa) a una intensidad de 80 W/m2, en base a la superficie interna del segundo dispositivo, que se considera un cono truncado. Ambos dispositivos se controlan por temperatura hasta 32 °C y el pH se ajusta automáticamente a pH 6,8 con ácido sulfúrico (H2SO4). Las microalgas deChlorella sorokinianase cultivan durante 4 días, y el glucosa y los minerales requeridos se suministran de forma discontinua según el consumo generado por el crecimiento de algas. La cantidad y composición de los gases de proceso suministrados, en particular la mezcla de gas enriquecida con dióxido de carbono y la mezcla de gas que contiene oxígeno, se regulan por separado en el primer dispositivo 1 y el segundo dispositivo 2 según el crecimiento de algas. Después de 4 días, la biomasa en la instalación ha alcanzado una concentración de 35 g/l. La biomasa se recoge, se enriquece hasta 100 g/l usando una centrífuga y se seca por pulverización. La biomasa tiene un contenido de clorofila del 3,0 % y contiene 3500 ppm de luteína en base a la materia seca.
Realización 2:
Chlorella sorokinianase cultiva en una instalación según la invención según la Figura 1. El primer dispositivo 1 tiene un volumen de trabajo de 100 l y el segundo dispositivo 2 tiene un volumen de trabajo de 400 l.
El sistema se esteriliza y se llena con 450 l de medio de cultivo II. El medio de cultivo II está compuesto de la siguiente manera: 0,5 g/l de KNO3; 1 g/l de urea; 100 mg/l de KH2PO 3; 100 mg/l de MgSO4-7H2O; 14 mg/l de FeSO4-7H2O; 1 mg/l de MnSO4-5H2O; 0,7 mg de ZnSO4-7H2O; 0,06 mg/l de H3BO 3; 0,024 mg/l de CoSO4-7H2O; 0,024 mg/l de CuSO4-5H2O; 0,01 mg/l de (NH4)6MozO24-4H2O y 0,5 g/l de acetato de sodio. El medio de cultivo se inocula con 5 l de inóculo que contiene aproximadamente 100 g/l deChlorella sorokinianaa través del primer dispositivo 1. Antes de la inoculación, se añaden 5 g de acetato de sodio al inóculo, el pH se reduce a pH 3,2 con H2SO4durante un período de 30 minutos y luego se elevó hasta pH 7,0 con una solución de hidróxido de sodio (NaOH). Con agitación, la cepa de microalgas y el medio de cultivo del primer dispositivo 1 se bombean continuamente al segundo dispositivo 2 y desde allí al primer dispositivo 1. El segundo dispositivo 2 se ilumina con luz en el intervalo de PAR con una intensidad de 70 W/m2, en base a la superficie interna del segundo dispositivo, que se considera un cono truncado. Ambos dispositivos se controlan por temperatura hasta 30 °C y el pH se ajusta automáticamente a pH 7,0 con ácido acético. El ácido acético requerido para el suministro de carbono se añade de forma discontinua de manera controlada por pH según el consumo generado por el crecimiento de algas. Con la adición de ácido acético, también se añaden la nitrogenina necesaria de acetato de amonio y los oligoelementos de hierro y manganeso. Se dosifica KH2PO4por separado según el consumo generado por el crecimiento de algas. La cantidad y composición de los gases de proceso suministrados, en particular la mezcla de gas enriquecida con dióxido de carbono y la mezcla de gas que contiene oxígeno, se regulan por separado en el primer dispositivo 1 y el segundo dispositivo 2 según el crecimiento de algas. Después de 8 días, la biomasa en la instalación ha alcanzado una concentración de 12 g/l. La biomasa se recoge, se enriquece hasta 100 g/l usando una centrífuga y se seca por pulverización. La biomasa tiene un contenido de clorofila del 3,5 % y contiene 4000 ppm de luteína en base a la materia seca.
Realización 3:
Chlorella sorokinianase cultiva en una instalación según la invención según la Figura 1 en forma de método giratorio. El primer dispositivo 1 tiene un volumen de trabajo de 100 l y el segundo dispositivo 2 tiene un volumen de trabajo de 400 l.
El sistema se esteriliza y se llena con 450 l de medio de cultivo II. El medio de cultivo II está compuesto de la siguiente manera: 0,5 g/l de KNO3; 1 g/l de urea; 100 mg/l de KH2PO 3; 100 mg/l de MgSO4-7H2O; 14 mg/l de FeSO4-7H2O; 1 mg/l de MnSO4-5H2O; 0,7 mg de ZnSO4-7H2O; 0,06 mg/l de H3BO 3; 0,024 mg/l de CoSO4-7H2O; 0,024 mg/l de CuSO4-5H2O; 0,01 mg/l de (NH4)6MozO24-4H2O y 0,5 g/l de acetato de sodio. El medio de cultivo se inocula con 5 l de inóculo que contiene aproximadamente 100 g/l deChlorella sorokinianaa través del primer dispositivo 1. Antes de la inoculación, se añaden 5 g de acetato de sodio al inóculo, el pH se reduce a pH 3,2 con H2SO4durante un período de 30 minutos y luego se elevó hasta pH 7,0 con una solución de NaOH. Con agitación, la cepa de microalgas y el medio de cultivo del primer dispositivo 1 se bombean continuamente al segundo dispositivo 2 y desde allí al primer dispositivo 1. El segundo dispositivo 2 se ilumina con luz en el intervalo de PAR con una intensidad de 70 W/m2, en base a la superficie interna del segundo dispositivo, que se considera un cono truncado. Ambos dispositivos se controlan por temperatura hasta 30 °C y el pH se ajusta automáticamente a pH 7,0 con ácido acético. El ácido acético requerido para el suministro de carbono se añade de forma discontinua de manera controlada por pH según el consumo generado por el crecimiento de algas. Con la adición de ácido acético, también se añaden el nitrógeno necesario en forma de acetato de amonio y los oligoelementos hierro y manganeso. KH2PO4se dosifica por separado según el consumo generado por el crecimiento de algas. La cantidad y composición de los gases de proceso suministrados, en particular la mezcla de gas enriquecida con dióxido de carbono y la mezcla de gas que contiene oxígeno, se regulan por separado en el primer dispositivo 1 y el segundo dispositivo 2 según el crecimiento de algas. Después de 8 días, la biomasa en la instalación ha alcanzado una concentración de 12 g/l. La biomasa se recoge, se enriquece hasta 100 g/l usando una centrífuga y se seca por pulverización. La biomasa tiene un contenido de clorofila del 3,5%y contiene 4000 ppm de luteína en base a la materia seca. Antes de la inoculación, se añaden 5 g de acetato de sodio a 5 l de la biomasa recolectada y enriquecida, el pH se reduce hasta pH 3,2 con H2SO4durante un período de 30 minutos y luego se elevó a pH 7,0 con una solución de hidróxido de sodio (NaOH). Con esta biomasa, el sistema que se ha rellenado con medio de cultivo II después de la cosecha total se inocula sin una desinfección intermedia adicional. El cultivo continúa con las etapas del método descritas anteriormente después de la inoculación. La biomasa recolectada tiene un contenido de clorofila del 3,5 % y contiene 4000 ppm de luteína en base a la materia seca.
Realización 4:
Se usan 12 l de una suspensión deChlorella sorokinianaal 10 % obtenida según la realización 1 para inocular un fotobiorreactor tubular lleno con 1200 l de medio III de cultivo. El medio III de cultivo corresponde al medio I de cultivo, pero no contiene glucosa. El cultivo de microalgas se cultiva en el fotobiorreactor durante un período de 4 semanas. El cultivo tiene lugar en el ritmo diurno natural y una intensidad de luz mínima en el intervalo de PAR de 80 W/m2 se establece mediante iluminación adicional que se puede encender en la fase de día, en base a la superficie interna del segundo dispositivo, que se considera un cono truncado. El pH se regula automáticamente mediante la introducción de dióxido de carbono (CO2). Los nutrientes minerales y los oligoelementos se dosifican según el consumo generado por el crecimiento de algas. Después de 5 días, la biomasa en la instalación ha alcanzado una concentración de 3,5 g/l.
Se recogen 400 l de suspensión de cultivo y se sustituyen por medio de cultivo recién preparado III. Este proceso se repite hasta el final de la semana 4, el último ciclo de recogida se diseña para ser una recogida total.
Realización 5:
En una configuración alternativa de la realización 1, se cultivaChlorella zofgiensisen una instalación según la invención según la Figura 1, con ambos dispositivos que se controlan por temperatura hasta 28 °C.
Se usan 12 l de una suspensión deChlorella zofingiensisal 10 % así obtenida para inocular un fotobiorreactor tubular lleno con 1200 l de medio de cultivo III. El medio III de cultivo corresponde al medio I de cultivo, pero no contiene glucosa. El cultivo de microalgas se cultiva en el fotobiorreactor durante un período de 4 semanas a una temperatura diurna a 28 °C y una temperatura nocturna de 20 °C. El cultivo tiene lugar en el ritmo diurno natural y una intensidad de luz mínima en el intervalo de PAR de 80 W/m2 se establece mediante iluminación adicional que se puede encender en la fase de día, en base a la superficie interna del segundo dispositivo, que se considera un cono truncado. El pH se regula automáticamente mediante la introducción de dióxido de carbono (CO2). Los nutrientes minerales y los oligoelementos se dosifican según el consumo generado por el crecimiento de algas. Después de 5 días, la biomasa en la instalación ha alcanzado una concentración de 3,0 g/l. Se recogen 400 l de suspensión de cultivo y se sustituyen por medio de cultivo recién preparado III. Este proceso se repite hasta el final de la semana 4, el último ciclo de recogida se diseña para ser una recogida total. La biomasa recogida en cada caso contiene, además de otros carotenoides, 1300 ppm de astaxantina, en base a la materia seca.
Realización 6:
Se cultivaChlorella vulgarisen una instalación según la invención según la Figura 1, con un área de 50 cm del tubo hecho de material translúcido en el segundo dispositivo 2 que se ha reemplazado con un tubo iluminado por separado hecho de vidrio de cuarzo. El primer dispositivo 1 tiene un volumen de trabajo de 100 l y el segundo dispositivo 2 tiene un volumen de trabajo de 400 l.
El sistema se esteriliza y se llena con 450 l de medio de cultivo II. El medio de cultivo II está compuesto de la siguiente manera: 0,5 g/l de KNO31 g/l de urea; 100 mg/l de KH2PO 3100 mg/l de MgSO4-7H2O; 14 mg/l de FeSO4-7H2O; 1 mg/l de MnSO4-5H2O; 0,7 mg de ZnSO4-7H2O; 0,06 mg/l de H3BO 3; 0,024 mg/l de CoSO4-7H2O; 0,024 mg/l de CuSO4-5H2O; 0,01 mg/l de (NH4)6MozO24-4H2O y 0,5 g/l de acetato de sodio. El medio de cultivo se inocula con 5 l de inóculo que contiene aproximadamente 100 g/l deChlorella vulgarisa través del primer dispositivo 1. Antes de la inoculación, se añaden 5 g de acetato de sodio al inóculo, el pH se reduce a pH 3,2 con H2SO4durante un período de 30 minutos y luego se elevó hasta pH 7,0 con una solución de NaOH. Con agitación, la cepa de microalgas y el medio de cultivo del primer dispositivo 1 se bombean continuamente al segundo dispositivo 2 y desde allí al primer dispositivo 1. El segundo dispositivo 2 se ilumina con luz en el intervalo de PAR con una intensidad de 70 W/m2, en base a la superficie interna del segundo dispositivo, que se considera un cono truncado. La parte del tubo hecho de vidrio de cuarzo se expone a radiación UVB. Ambos dispositivos se controlan por temperatura hasta 27 °C y el pH se ajusta automáticamente a pH 7,0 con ácido acético. El ácido acético requerido para el suministro de carbono se añade de forma discontinua de manera controlada por pH según el consumo generado por el crecimiento de algas. Con la adición de ácido acético, también se añaden el nitrógeno necesario en forma de acetato de amonio y los oligoelementos hierro y manganeso. Se dosifica KH2PO4por separado según el consumo generado por el crecimiento de algas. La cantidad y composición de los gases de proceso suministrados, en particular la mezcla de gas enriquecida con dióxido de carbono y la mezcla de gas que contiene oxígeno, se regulan por separado en el primer dispositivo 1 y el segundo dispositivo 2 según el crecimiento de algas. Después de 8 días, la biomasa en la instalación ha alcanzado una concentración de 8 g/l. La biomasa se recoge, se enriquece hasta 100 g/l usando una centrífuga y se seca por pulverización. La biomasa tiene un contenido de clorofila del 3,5%y contiene, además de carotenoides, 0,05 ppm de vitamina D2 en base a la materia seca.
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Signos de referencia
1 Primer dispositivo, preferiblemente un tanque de agitación cerrado que puede operarse en condiciones estériles
2 Segundo dispositivo que comprende un tubo hecho de material translúcido
3 Primer elemento de conexión
4 Segundo elemento de conexión
5 Inyector para introducir un gas de proceso
6 Agitador
7 Bomba
8 Primera fuente de luz
9 Segunda fuente de luz
10 Inyector para introducir un gas de proceso

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Método para el cultivo heterotrófico y mixotrófico simultáneo de microalgas, que comprende las etapas de
a) proporcionar un inóculo que comprende al menos una cepa de microalgas e inocular un medio de cultivo con el inóculo,
b) cultivar la al menos una cepa de microalgas en un primer dispositivo en condiciones de cultivo heterotrófico,
c) cultivar la al menos una cepa de microalgas en un segundo dispositivo en condiciones de cultivo mixotrófico,
en donde al menos una parte de la al menos una cepa de microalgas se transporta desde el primer dispositivo en la etapa b) hasta el segundo dispositivo en la etapa c) y/o desde el segundo dispositivo en la etapa c) hasta el primer dispositivo en la etapa b),
en donde un gas de proceso se introduce en el extremo inferior del segundo dispositivo, en donde el gas de proceso se introduce para que esté al menos parcialmente comprimido o al menos parcialmente condensado.
2. Método según la reivindicación 1,caracterizado porqueel gas de proceso en la etapa c) es aire o una mezcla de aire enriquecido con dióxido de carbono, preferiblemente un gas de escape de un cultivo heterótrofo del primer dispositivo o producido a partir de gases técnicos.
3. Método según la reivindicación 1 o 2,caracterizado porqueel gas de proceso se introduce de una manera continua o cronometrada.
4. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,caracterizado porquela cantidad de gas de proceso introducido es de 1 cm3/s a 100.000 cm3/s, preferiblemente de 1 cm3/s a 10.000 cm3/s, particularmente preferiblemente de 10 cm3/s a 1000 cm3/s.
5. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4,caracterizado porqueal menos una parte de la al menos una cepa de microalgas se transporta de manera continua o cronometrada desde el primer dispositivo en la etapa b) hasta el segundo dispositivo en la etapa c) y/o desde el segundo dispositivo en la etapa c) hasta el primer dispositivo en la etapa b), preferiblemente introduciendo un gas de proceso en la etapa c) y/o por medio de una bomba.
6. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5,caracterizado porqueel método comprende al menos una etapa adicional, la etapa adicional se selecciona de cultivo fototrófico, cultivo mixotrópico, recogiendo la biomasa y/o secando la biomasa recogida.
7. Sistema para el cultivo heterotrófico y mixotrófico simultáneo de microalgas, que comprende
i. un primer dispositivo (1), estando diseñado el primer dispositivo para cultivo heterótrofo, ii. un segundo dispositivo (2) que comprende un tubo hecho de material translúcido y al menos una fuente de luz, estando diseñado el segundo dispositivo para el cultivo mixotrópico, iii. un primer elemento de conexión (3) para conectar el primer dispositivo (1) al segundo dispositivo (2),
en donde el primer elemento de conexión (3) conecta la parte inferior del primer dispositivo (1) a la entrada del segundo dispositivo (2),
iv. un segundo elemento de conexión (4) para conectar el primer dispositivo (1) al segundo dispositivo (2),
en donde el segundo elemento de conexión (4) conecta la parte superior del primer dispositivo (1) a la salida del segundo dispositivo (2),
en donde el segundo dispositivo (2) comprende un inyector para introducir un gas de proceso en el extremo inferior o el primer elemento de conexión (3).
8. Sistema según la reivindicación 7,caracterizado porqueel tubo que consiste en material translúcido está dispuesto para ascender en forma de espiral alrededor de un bastidor de soporte en forma de cono truncado o cilindro hueco, comprendiendo el bastidor de soporte al menos una fuente de luz.
9. Sistema según la reivindicación 8,caracterizado porqueel segundo dispositivo (2) comprende al menos una fuente de luz adicional para irradiar el tubo hecho de material translúcido desde el exterior, siendo la al menos una fuente de luz adicional preferiblemente una luz de superficie.
10. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9,caracterizado porqueel material translúcido se selecciona de siliconas, poli(cloruro de vinilo) (PVC), poliacrilatos, polietileno o vidrio de borosilicato.
11. Sistema según la reivindicación 10,caracterizado porqueel tubo hecho de material translúcido consiste en al menos un material adicional seleccionado de materiales permeables a UVB y UVC.
12. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11,caracterizado porquela al menos una fuente de luz se selecciona de una lámpara de vapor de sodio o una luz de LED, preferiblemente que tiene una longitud de onda en el intervalo de 400 nm a 520 nm o de 600 nm a 720 nm y una salida de luz en el intervalo de 1 a 150 W/m2
13. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 12,caracterizado porqueel segundo dispositivo (2) comprende al menos una fuente de luz adicional, la al menos una fuente de luz adicional que tiene una longitud de onda en el intervalo de 280 nm a 320 nm.
14. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 13,caracterizado porqueel volumen del primer dispositivo y el volumen del tubo hecho de material translúcido tienen una razón en el intervalo de desde 10:1 hasta 1:5.
15. Uso de un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 14, para el cultivo de microalgas.
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