ITGE20110021A1 - SYSTEM FOR THE THERMOSTAT OF PHOTOBIOREACTORS FOR MICROALGES CULTIVATIONS - Google Patents
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Description
"Sistema per la termostatazione di fotobioreattori per colture di microalghe" "System for thermostating photobioreactors for microalgae cultures"
TESTO DELLA DESCRIZIONE TEXT OF THE DESCRIPTION
La presente invenzione ha per oggetto un sistema per la termostatazione di uno o più fotobioreattori per colture di microalghe, il quale sistema comprende un circuito di circolazione di un fluido di condizionamento, detto circuito comprendendo mezzi scambiatori di calore aventi una superficie di contatto termico tra il detto fluido di condizionamento e il fluido di coltura dei detti uno o più fotobioreattori per il riscaldamento e/o il raffreddamento del detto fluido di coltura. The present invention relates to a system for thermostating one or more photobioreactors for microalgae cultures, which system comprises a circulation circuit for a conditioning fluid, said circuit comprising heat exchanger means having a thermal contact surface between the said conditioning fluid and the culture fluid of said one or more photobioreactors for heating and / or cooling of said culture fluid.
I fotobioreattori sono dispositivi noti e ampiamente utilizzati per la coltura intensiva anche su larga scala di microalghe, organismi fotoautotrofi su cui si pone molta attenzione, soprattutto nel campo delle biotecnologie, per il potenziale che questo settore ha sia nel campo delle energie rinnovabili che in quello delle sostanze naturali di alto valore nutrizionale o farmaceutico. Photobioreactors are known and widely used devices for the intensive cultivation, even on a large scale, of microalgae, photoautotrophic organisms on which a lot of attention is paid, especially in the field of biotechnology, due to the potential that this sector has both in the field of renewable energy and in that natural substances of high nutritional or pharmaceutical value.
Molte colture di microalghe devono essere mantenute ad una temperatura ottimale per il processo di fotosintesi e quindi per la crescita e/o la sopravvivenza della coltura, e tale temperatura ottimale à ̈ spesso superiore alla temperatura ambiente, in particolare per installazioni in climi temperati. Many microalgae cultures must be kept at an optimal temperature for the photosynthesis process and therefore for the growth and / or survival of the crop, and this optimal temperature is often higher than ambient temperature, particularly for installations in temperate climates.
Tipicamente la temperatura ottimale à ̈ costituita da un intervallo piuttosto ristretto attorno a 20°C-25°C e ha un'ampiezza dell'ordine di 10°C. Typically, the optimum temperature consists of a rather narrow range around 20 ° C-25 ° C and has an amplitude of the order of 10 ° C.
La tipica variazione della temperatura nell'ambiente esterno associata alla variazione climatica stagionale à ̈ nelle zone temperate di oltre 15°C· The typical variation of the temperature in the external environment associated with the seasonal climatic variation is in the temperate zones of over 15 ° C
Ciò rende necessario un sistema di riscaldamento quando la temperatura ambiente non garantisce il mantenimento del fluido di coltura ad una temperatura compresa in tale intervallo. This makes a heating system necessary when the ambient temperature does not guarantee the maintenance of the culture fluid at a temperature included in this range.
Anche zone subtropicali soggette a forte escursione termica, come tipicamente il deserto, possono richiedere un riscaldamento notturno. Even subtropical areas subject to strong temperature fluctuations, such as typically the desert, may require night heating.
D'altra parte i fotobioreattori, soprattutto del tipo a pannello, quando sono investiti dall'irraggiamento solare si comportano praticamente come corpi neri. On the other hand, photobioreactors, especially of the panel type, when they are hit by solar radiation they practically behave like black bodies.
Ciò significa che sostanzialmente tutta l'energia solare viene assorbita come energia termica dal pannello e soltanto una esigua parte viene utilizzata per la fotosintesi. This means that substantially all solar energy is absorbed as thermal energy by the panel and only a small part is used for photosynthesis.
La potenza termica assorbita per unità di superficie da un tipico fotobioreattore nelle ore diurne à ̈ quindi talmente elevata, anche oltre 500W per metro quadro, da imporre la necessità di un sistema di raffreddamento, pena il superamento di una temperatura di soglia critica per la sopravvivenza della coltura, e la conseguente morte della coltura stessa. The thermal power absorbed per unit of surface by a typical photobioreactor during the day is therefore so high, even over 500W per square meter, as to impose the need for a cooling system, otherwise a critical threshold temperature for survival will be exceeded. of the crop, and the consequent death of the crop itself.
Le variazioni di temperatura non sono quindi solo di tipo stagionale ma possono avvenire significativamente anche all'interno della stessa giornata, soprattutto in base alle condizioni di irraggiamento solare. The temperature variations are therefore not only of a seasonal nature but can also occur significantly within the same day, especially based on the solar radiation conditions.
Alcuni sistemi di raffreddamento attualmente noti prevedono un raffreddamento di tipo evaporativo grazie all'utilizzo di acqua di raffreddamento a perdere che viene spruzzata sulla superficie dei fotobioreattori . Some currently known cooling systems provide for evaporative cooling thanks to the use of disposable cooling water which is sprayed on the surface of the photobioreactors.
Altri sistemi di raffreddamento attualmente noti prevedono l'utilizzo di scambiatori di calore, tipicamente serpentine immerse nel liquido di coltura, nelle quali viene fatto scorrere un liquido di condizionamento per il raffreddamento del liquido di coltura, il quale liquido di condizionamento à ̈ a una temperatura inferiore del liquido di coltura tale per cui assorbe il calore in eccesso dallo stesso e ne abbassa di conseguenza la temperatura. Other currently known cooling systems provide for the use of heat exchangers, typically coils immersed in the culture liquid, in which a conditioning liquid is made to cool the culture liquid, which conditioning liquid is at a temperature lower than the culture liquid such that it absorbs excess heat from it and consequently lowers its temperature.
Questi sistemi possono essere quindi utilizzati anche per il riscaldamento del liquido di coltura qualora la temperatura del liquido di coltura rischia di scendere al di fuori dell'intervallo di temperature ottimali: il liquido di condizionamento in questo caso ha una temperatura maggiore della temperatura del liquido di coltura e cede calore allo stesso aumentandone la temperatura. These systems can therefore also be used for heating the culture liquid if the temperature of the culture liquid risks falling outside the optimum temperature range: the conditioning liquid in this case has a temperature higher than the temperature of the culture liquid. crop and transfers heat to it by increasing its temperature.
Entrambe le modalità note sopra descritte presentano lo svantaggio di richiedere da una parte grandi quantitativi di acqua di raffreddamento, dall'altra grandi quantitativi di energia per il riscaldamento e/o il raffreddamento artificiali atti a compensare gli sbalzi termici dei fotobioreattori dovuti alla temperatura ambiente e soprattutto all'irraggiamento solare. Both of the known methods described above have the disadvantage of requiring on the one hand large quantities of cooling water, on the other hand large quantities of energy for artificial heating and / or cooling suitable for compensating the thermal changes of the photobioreactors due to the ambient temperature and especially to solar radiation.
Con questi sistemi l'onere energetico per la termostatazione à ̈ molto significativo, soprattutto per il raffreddamento: studi sperimentali indicano infatti che su fotobioreattori a pannello la potenza di raffreddamento necessaria à ̈ circa tre volte maggiore di quella di riscaldamento. With these systems, the energy burden for thermostating is very significant, especially for cooling: experimental studies indicate that on panel photobioreactors the cooling power required is about three times greater than that of heating.
Non solo quindi il dispendio energetico per la termostatazione à ̈ oneroso, ma l'energia termica solare in eccesso assorbita non può essere utilizzata e viene dissipata. Therefore, not only is the energy expenditure for thermostatting expensive, but the excess solar thermal energy absorbed cannot be used and is dissipated.
La crescente attenzione nei confronti delle colture di microalghe per la produzione di biomassa, e quindi per scopi energetici, conferisce un ruolo sempre più importante al bilancio energetico negli impianti a fotobioreattori. The growing attention towards microalgae crops for biomass production, and therefore for energy purposes, gives an increasingly important role to the energy balance in photobioreactor plants.
La presente invenzione si pone l'obiettivo di superare gli inconvenienti enunciati dei sistemi noti con un sistema per la termostatazione di uno o più fotobioreattori per colture di microalghe come descritto all'inizio, il quale comprende inoltre un volano termico per l'immagazzinamento dell'energia termica incamerata dai detti uno o più fotobioreattori durante l'esposizione all'irraggiamento solare ed assorbita dal detto fluido di condizionamento durante il passaggio nei detti mezzi scambiatori di calore. The present invention aims to overcome the drawbacks mentioned in known systems with a system for thermostating one or more photobioreactors for microalgae cultures as described at the beginning, which also comprises a thermal flywheel for storing the thermal energy stored by said one or more photobioreactors during exposure to solar radiation and absorbed by said conditioning fluid during its passage through said heat exchanger means.
L'utilizzo di un volano termico permette di immagazzinare l'energia termica solare assorbita dai fotobioreattori prelevandola da essi durante il loro raffreddamento, in modo tale per cui tale energia termica può essere nuovamente ceduta quando necessario ai fotobioreattori per riscaldarli, in modo da mantenere sempre la temperatura del fluido di coltura all'interno dell'intervallo ottimale. The use of a thermal flywheel allows to store the solar thermal energy absorbed by the photobioreactors by taking it from them during their cooling, in such a way that this thermal energy can be transferred again when necessary to the photobioreactors to heat them, in order to always maintain the temperature of the culture fluid within the optimal range.
I fotobioreattori possono essere di tipo qualsivoglia, preferibilmente del tipo a pannello e/o a colonna e/o tubolari. The photobioreactors can be of any type, preferably of the panel and / or column and / or tubular type.
Secondo un esempio esecutivo il detto volano termico comprende almeno un serbatoio di prestabilite dimensioni collegato al detto circuito di circolazione del detto fluido di condizionamento. According to an embodiment, the said thermal flywheel comprises at least one reservoir of predetermined dimensions connected to the said circulation circuit of the said conditioning fluid.
II fluido di condizionamento può essere di tipo qualsivoglia, in particolare à ̈ vantaggioso l'utilizzo di acqua sia in termini di capacità termica sia di economicità e disponibilità sul territorio. The conditioning fluid can be of any type, in particular the use of water is advantageous both in terms of thermal capacity and in terms of economy and availability on the territory.
L'utilizzo come volano termico di una prestabilita quantità di acqua contenuta in un serbatoio adeguatamente dimensionato permette di ottenere un grande risparmio energetico rispetto ai sistemi attualmente noti a fronte di una realizzazione impiantistica relativamente semplice ed economica . The use as a thermal flywheel of a predetermined quantity of water contained in a suitably sized tank allows to obtain a great energy saving compared to currently known systems in the face of a relatively simple and economical plant construction.
In un esempio esecutivo ulteriore à ̈ prevista almeno una pompa di circolazione, sensori di temperatura del detto liquido di coltura e del detto fluido di condizionamento contenuto nel detto almeno un serbatoio e un'unità di comando per la comparazione tra loro e/o con prestabiliti valori di soglia dei valori di temperatura rilevati dai detti sensori di temperatura e per l'azionamento della detta pompa di circolazione. In a further embodiment, at least one circulation pump is provided, temperature sensors for the said culture liquid and the said conditioning fluid contained in the said at least one tank and a control unit for comparing each other and / or with predetermined threshold values of the temperature values detected by the said temperature sensors and for the operation of the said circulation pump.
In questo modo quando la temperatura del fluido di coltura cala rendendo necessario un riscaldamento del fotobioreattore e la temperatura del liquido di condizionamento nel serbatoio à ̈ tale da poter scaldare il fotobioreattore, l'unità di comando aziona la pompa di circolazione e il fluido di condizionamento scorre all'interno dei mezzi scambiatori di calore cedendo calore al fluido di coltura. In this way, when the temperature of the culture fluid drops, making it necessary to heat the photobioreactor and the temperature of the conditioning liquid in the tank is such as to be able to heat the photobioreactor, the control unit activates the circulation pump and the conditioning fluid. it flows inside the heat exchanger means, releasing heat to the culture fluid.
Allo stesso modo, quando la temperatura del fluido di coltura sale rendendo necessario un raffreddamento del fotobioreattore e la temperatura del liquido di condizionamento nel serbatoio à ̈ tale da poter raffreddare il fotobioreattore, l'unità di comando aziona corrispondentemente la pompa di circolazione e il liquido di coltura viene raffreddato. Similarly, when the temperature of the culture fluid rises, making it necessary to cool the photobioreactor and the temperature of the conditioning liquid in the tank is such that it can cool the photobioreactor, the control unit operates the circulation pump and the liquid accordingly. of culture is cooled.
Una forma esecutiva ulteriore prevede inoltre mezzi ausiliari di riscaldamento e/o di raffreddamento del detto fluido di condizionamento. A further embodiment also provides auxiliary means for heating and / or cooling the said conditioning fluid.
Ciò permette di garantire la termostatazione dei fotobioreattori anche in condizioni in cui la temperatura del fluido di coltura cala rendendo necessario un riscaldamento del fotobioreattore ma la temperatura del liquido di condizionamento nel serbatoio non à ̈ tale da poter riscaldare il fotobioreattore, oppure in condizioni in cui la temperatura del fluido di coltura sale rendendo necessario un raffreddamento del fotobioreattore ma la temperatura del liquido di condizionamento nel serbatoio non à ̈ tale da poter raffreddare il fotobioreattore . This allows to guarantee the thermostating of the photobioreactors even in conditions in which the temperature of the culture fluid drops, making it necessary to heat the photobioreactor but the temperature of the conditioning liquid in the tank is not such as to be able to heat the photobioreactor, or in conditions in which the temperature of the culture fluid rises making it necessary to cool the photobioreactor but the temperature of the conditioning liquid in the tank is not such as to be able to cool the photobioreactor.
Tale apporto si rende necessario sia per sopperire allo sbilanciamento sopra esposto tra la potenza raffreddante e quella riscaldante, sia soprattutto per garantire la necessaria regolarità al funzionamento del sistema a fronte delle variazioni meteorologiche (giornate nuvolose, periodi invernali in cui l'apporto solare si può rivelare, a seconda della collocazione geografica del sito, insufficiente a coprire il fabbisogno). This contribution is necessary both to compensate for the imbalance described above between the cooling and heating power, and above all to ensure the necessary regularity to the functioning of the system in the face of meteorological variations (cloudy days, winter periods in which the solar contribution can be reveal, depending on the geographical location of the site, insufficient to cover the needs).
Come mezzi ausiliari di riscaldamento e/o di raffreddamento possono essere usati sorgenti di calore o sistemi di raffreddamento di tipo qualsivoglia . Heat sources or cooling systems of any type can be used as auxiliary heating and / or cooling means.
Il modo più semplice per raffreddare il fluido di condizionamento à ̈ utilizzare come fluido di condizionamento acqua di falda da pompare all'interno del circuito, la quale viene espulsa dal circuito dopo il passaggio attraverso i mezzi scambiatori di calore e il conseguente raffreddamento del fluido di coltura. The simplest way to cool the conditioning fluid is to use groundwater as the conditioning fluid to be pumped inside the circuit, which is expelled from the circuit after passing through the heat exchanger means and the consequent cooling of the culture.
In una forma esecutiva ulteriore i mezzi di riscaldamento e/o di raffreddamento del detto fluido di condizionamento comprendono almeno un dissipatore ambientale di calore di tipo qualsivoglia, preferibilmente una torre evaporativa. In a further embodiment, the means for heating and / or cooling the said conditioning fluid comprise at least one environmental heat sink of any type, preferably an evaporative tower.
In una ulteriore forma esecutiva i mezzi di riscaldamento e/o di raffreddamento del detto fluido di condizionamento comprendono almeno un generatore di calore di tipo qualsivoglia. In a further embodiment, the means for heating and / or cooling the said conditioning fluid comprise at least one heat generator of any type.
Ad esempio possono essere utilizzate caldaie a gas, a gasolio o simili. For example, gas, oil or similar boilers can be used.
Preferibilmente à ̈ possibile utilizzare un impianto di cogenerazione, in particolare un motore endotermico. Preferably it is possible to use a cogeneration plant, in particular an internal combustion engine.
Secondo un esempio esecutivo preferito i mezzi di riscaldamento e/o di raffreddamento del detto fluido di condizionamento comprendono almeno una pompa di calore. According to a preferred embodiment, the heating and / or cooling means of said conditioning fluid comprise at least one heat pump.
L'utilizzo di una pompa di calore à ̈ molto vantaggioso in guanto la pompa di calore può essere utilizzata sia per il riscaldamento sia per il raffreddamento del fluido di condizionamento in base alla propria configurazione operativa. The use of a heat pump is very advantageous as the heat pump can be used for both heating and cooling of the conditioning fluid according to its operating configuration.
La pompa di calore à ̈ inoltre molto efficiente come macchina riscaldante con intervalli di temperatura in gioco come quelli che interessano gli impianti a fotobioreattori, permettendo anche di ottenere un coefficiente di prestazione di circa 5. The heat pump is also very efficient as a heating machine with temperature ranges involved such as those affecting photobioreactor systems, also allowing to obtain a coefficient of performance of about 5.
Grazie alla combinazione di un volano termico con una pompa di calore à ̈ possibile realizzare la termostatazione delle colture microalgali con un apporto di energia esterna trascurabile in confronto all'energia solare assorbita dai fotobioreattori. Thanks to the combination of a thermal flywheel with a heat pump, it is possible to thermostat the microalgae crops with a negligible external energy input compared to the solar energy absorbed by the photobioreactors.
Il corretto dimensionamento del volano termico, cioà ̈ l'accumulo di acqua calda e fredda, permette, per un impianto di fotobioreattori installato in zone con elevato soleggiamento, che à ̈ un criterio inderogabile per la fotosintesi stessa, di utilizzare la pompa di calore solo per pochi mesi all'anno, come dispositivo di supplemento e/o di emergenza. The correct sizing of the thermal flywheel, that is the accumulation of hot and cold water, allows, for a photobioreactor system installed in areas with high sunshine, which is an essential criterion for photosynthesis itself, to use the heat pump only for a few months a year, as a supplement and / or emergency device.
In un ulteriore esempio esecutivo la detta almeno una pompa di calore assorbe calore da un ambiente esterno e lo trasferisce al detto volano termico o assorbe calore dal detto volano termico e lo trasferisce al detto ambiente esterno, il detto ambiente esterno comprendendo l'atmosfera e/o una falda acquifera e/o il mare e/o un lago e/o un corso d'acqua e/o un pozzo artesiano e/o una sonda geotermica e/o simili. In a further embodiment, said at least one heat pump absorbs heat from an external environment and transfers it to said thermal flywheel or absorbs heat from said thermal flywheel and transfers it to said external environment, said external environment comprising the atmosphere and / or an aquifer and / or the sea and / or a lake and / or a watercourse and / or an artesian well and / or a geothermal probe and / or the like.
La pompa di calore può quindi essere del tipo cosiddetto acqua-acqua quando à ̈ in comunicazione con una falda acquifera, il mare, un lago o un qualsivoglia bacino d'acqua, un corso d'acqua o un pozzo artesiano per l'assorbimento o la cessione di calore. The heat pump can therefore be of the so-called water-water type when it is in communication with an aquifer, the sea, a lake or any basin of water, a watercourse or an artesian well for absorption or the transfer of heat.
Al contrario può essere del tipo cosiddetto acqua-aria quando à ̈ in comunicazione con l'atmosfera. On the contrary, it can be of the so-called water-air type when it is in communication with the atmosphere.
In una particolare forma esecutiva la detta almeno una pompa di calore utilizza un ciclo frigorifero ad assorbimento. In a particular embodiment, said at least one heat pump uses an absorption refrigeration cycle.
L'utilizzo del ciclo frigorifero ad assorbimento à ̈ vantaggioso dal punto di vista energetico quando si dispone di energia termica di recupero, dal momento che le macchine frigorifere ad assorbimento richiedono fondamentalmente energia termica piuttosto che elettrica per il proprio azionamento. The use of the absorption refrigeration cycle is advantageous from an energy point of view when there is recovery thermal energy, since absorption refrigeration machines basically require thermal energy rather than electricity for their operation.
In una forma esecutiva ulteriore il detto volano termico comprende due serbatoi collegabili al detto circuito indipendentemente l'uno dall'altro o essendo collegati in serie l'uno all'altro. In a further embodiment, the said thermal flywheel comprises two tanks which can be connected to the said circuit independently of each other or being connected in series to each other.
I due serbatoi possono essere mantenuti a differenti temperature in modo da costituire rispettivamente un pozzo freddo e un pozzo caldo. The two tanks can be kept at different temperatures so as to constitute respectively a cold well and a hot well.
II pozzo freddo viene utilizzato per il raffreddamento dei fotobioreattori, mentre il pozzo caldo viene utilizzato per il riscaldamento dei fotobioreattori o per l'immagazzinamento del calore in eccesso proveniente dall'irraggiamento solare. The cold well is used for the cooling of the photobioreactors, while the hot well is used for the heating of the photobioreactors or for the storage of excess heat from solar radiation.
In un esempio esecutivo ulteriore i due serbatoi sono collegabili al detto circuito in modo tale per cui la detta almeno una pompa di calore assorbe calore da uno dei detti due serbatoi e cede tale calore all'altro dei detti due serbatoi. In a further embodiment, the two tanks can be connected to said circuit in such a way that said at least one heat pump absorbs heat from one of said two tanks and transfers this heat to the other of said two tanks.
In particolare la pompa di calore quando à ̈ azionata assorbe calore dal pozzo freddo e lo cede al pozzo caldo. In particular, when the heat pump is activated it absorbs heat from the cold well and transfers it to the hot well.
In una forma esecutiva preferita il sistema oggetto della presente invenzione comprende sensori di temperatura del liquido di condizionamento in ciascuno dei detti due serbatoi, e la detta unità di comando compara tra loro e/o con prestabiliti valori di soglia i valori di temperatura rilevati dai detti sensori di temperatura dei detti due serbatoi e del detto liquido di coltura ed aziona o disattiva in modo differenziato una pluralità di valvole e/o di pompe previste nel detto circuito in modo tale per cui sulla base della combinazione di valori di temperatura viene utilizzato il detto volano termico e/o vengono azionati o disattivati i detti mezzi di riscaldamento e/o raffreddamento del fluido di condizionamento e/o viene utilizzato un fluido di condizionamento esterno, in particolare acqua prelevata da una falda acquifera. In a preferred embodiment, the system object of the present invention comprises temperature sensors of the conditioning liquid in each of said two tanks, and the said control unit compares the temperature values detected by the said values with each other and / or with predetermined threshold values. temperature sensors of said two tanks and of said culture liquid and differentially activates or deactivates a plurality of valves and / or pumps provided in said circuit in such a way that, on the basis of the combination of temperature values, said thermal flywheel and / or said means for heating and / or cooling the conditioning fluid are activated or deactivated and / or an external conditioning fluid is used, in particular water drawn from an aquifer.
In questo modo, per mantenere la temperatura del fluido di coltura nell'intervallo ottimale contrastando la variazione di temperatura stagionale, giornaliera e meteorologica, che à ̈ imprevedibile ai fini pratici, viene attuato un comando automatico dei dispositivi che compongono il sistema di termostatazione. In this way, to maintain the temperature of the culture fluid in the optimal range, counteracting the seasonal, daily and meteorological temperature variation, which is unpredictable for practical purposes, an automatic control of the devices that make up the thermostating system is implemented.
Il sistema di termostatazione à ̈ quindi completamente automatico, riducendo al minimo la necessità di sorveglianza da parte di personale specializzato, e al contempo molto semplice dal punto di vista costruttivo e pertanto affidabile. The thermostating system is therefore completely automatic, minimizing the need for surveillance by specialized personnel, and at the same time very simple from the construction point of view and therefore reliable.
Oggetto della presente invenzione à ̈ inoltre un metodo per la termostatazione di uno o più fotobioreattori contenenti fluido di coltura per colture di microalghe, il quale metodo prevede l'utilizzo di un circuito di circolazione di un fluido di condizionamento, detto circuito comprendendo mezzi scambiatori di calore tra il detto fluido di condizionamento e il detto fluido di coltura per il riscaldamento e/o il raffreddamento del detto fluido di coltura, ed il quale metodo prevede inoltre l'utilizzo di un volano termico per l'immagazzinamento dell'energia termica incamerata dai detti uno o più fotobioreattori durante l'esposizione all'irraggiamento solare ed assorbita dal detto fluido di condizionamento durante il passaggio nei detti mezzi scambiatori di calore, la quale energia immagazzinata viene utilizzata in un secondo tempo per il riscaldamento del detto fluido di coltura. The object of the present invention is also a method for thermostating one or more photobioreactors containing culture fluid for microalgae cultures, which method provides for the use of a circulation circuit for a conditioning fluid, said circuit comprising heat exchanger means heat between said conditioning fluid and said culture fluid for heating and / or cooling of said culture fluid, and which method also provides for the use of a thermal flywheel for storing the thermal energy stored by the said one or more photobioreactors during exposure to solar radiation and absorbed by said conditioning fluid during its passage through said heat exchanger means, which stored energy is subsequently used to heat said culture fluid.
In un esempio esecutivo ulteriore il detto volano termico comprende almeno un serbatoio di prestabilite dimensioni collegato al detto circuito di circolazione del detto fluido di condizionamento. In a further embodiment, the said thermal flywheel comprises at least one reservoir of predetermined dimensions connected to the said circulation circuit of the said conditioning fluid.
Secondo una forma esecutiva ulteriore à ̈ previsto, in base alla differenza tra la temperatura del detto fluido di condizionamento all'interno del detto almeno un serbatoio e la temperatura del detto fluido di coltura, di utilizzare il detto fluido di condizionamento per raffreddare e/o riscaldare il detto fluido di coltura. According to a further embodiment, it is envisaged, based on the difference between the temperature of the said conditioning fluid inside the said at least one tank and the temperature of the said culture fluid, to use the said conditioning fluid to cool and / or heating said culture fluid.
Secondo un esempio esecutivo ancora ulteriore sono previsti mezzi di riscaldamento e/o raffreddamento del detto fluido di condizionamento per l'ottimizzazione della temperatura del detto fluido di condizionamento quando la stessa non à ̈ all'interno di intervalli di valori prestabiliti per il riscaldamento e/o il raffreddamento del detto fluido di coltura. According to a still further embodiment, means are provided for heating and / or cooling the said conditioning fluid for optimizing the temperature of the said conditioning fluid when it is not within predetermined ranges of values for heating and / or or the cooling of said culture fluid.
Queste ed altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla seguente descrizione di alcuni esempi esecutivi non limitativi illustrati nei disegni allegati, in cui : These and other characteristics and advantages of the present invention will become clearer from the following description of some non-limiting executive examples illustrated in the attached drawings, in which:
la fig.l illustra uno schema del sistema di termostatazione oggetto della presente invenzione in cui à ̈ presente il volano termico; Fig. 1 illustrates a diagram of the thermostating system object of the present invention in which the thermal flywheel is present;
la fig. 2 illustra uno schema del sistema, in cui sono ulteriormente presenti mezzi di riscaldamento e mezzi di raffreddamento del fluido di condizionamento; fig. 2 illustrates a diagram of the system, in which there are further heating means and means for cooling the conditioning fluid;
la fig. 3 illustra uno schema del sistema, in cui à ̈ presente la pompa di calore in comunicazione con l'ambiente esterno; fig. 3 illustrates a diagram of the system, in which the heat pump is present in communication with the external environment;
la flg. 4 illustra uno schema del sistema in cui la pompa di calore assorbe calore dal pozzo freddo per cederlo al pozzo caldo; flg. 4 illustrates a diagram of the system in which the heat pump absorbs heat from the cold well to transfer it to the hot well;
la fig. 5 illustra uno schema di un esempio esecutivo preferito del sistema; fig. 5 illustrates a diagram of a preferred embodiment of the system;
le figg. 6 a 11 illustrano differenti schemi di funzionamento del sistema in differenti modalità operative; figs. 6 to 11 illustrate different operating schemes of the system in different operating modes;
la fig. 12 illustra un diagramma di flusso dell'automatizzazione del sistema. fig. 12 illustrates a flow diagram of the automation of the system.
La presente invenzione ha come oggetto un sistema per la termostatazione di uno o più fotobioreattori 1 per colture di microalghe, come illustrato in figura 1. The present invention relates to a system for thermostating one or more photobioreactors 1 for microalgae cultures, as illustrated in Figure 1.
I fotobioreattori 1 sono reattori in cui à ̈ presente un fluido di coltura 10 nel quale viene mantenuta una coltura di microalghe 11, organismi fotoautotrofi per lo più unicellulari, che hanno bisogno della luce solare per eseguire la fotosintesi necessaria al sostentamento e alla riproduzione. The photobioreactors 1 are reactors in which there is a culture fluid 10 in which a culture of microalgae 11 is maintained, mostly unicellular photoautotrophic organisms, which need sunlight to carry out the photosynthesis necessary for sustenance and reproduction.
I fotobioreattori 1 vengono esposti all'irraggiamento solare, e possono essere di tipo a pannello, a colonna o tubolari. The photobioreactors 1 are exposed to solar radiation and can be of the panel, column or tubular type.
II sistema di termostatazione comprende un circuito di circolazione 2 di un fluido di condizionamento 30, il quale circuito di circolazione 2 comprende mezzi scambiatori di calore aventi una superficie di contatto termico tra il fluido di condizionamento 30 e il fluido di coltura 10 per il riscaldamento e/o il raffreddamento del fluido di coltura 10, in particolare per il mantenimento della temperatura del fluido di coltura 10 all'interno di un intervallo di valori ottimale. The thermostating system comprises a circulation circuit 2 of a conditioning fluid 30, which circulation circuit 2 comprises heat exchange means having a thermal contact surface between the conditioning fluid 30 and the culture fluid 10 for heating and / or the cooling of the culture fluid 10, in particular for maintaining the temperature of the culture fluid 10 within an optimum range of values.
L'intervallo ottimale di valori di temperatura varia in base al ceppo di microalghe, ma tipicamente à ̈ tra 19°C e 28°C. The optimal range of temperature values varies by microalgae strain, but typically is between 19 ° C and 28 ° C.
I mezzi scambiatori di calore, non visibili in figura, possono essere vantaggiosamente serpentine metalliche, preferibilmente in acciaio inossidabile, che vengono immerse all'interno del fluido di coltura 10 ed all'interno delle quali scorre il fluido di condizionamento 30. The heat exchanger means, not visible in the figure, can advantageously be metal coils, preferably made of stainless steel, which are immersed inside the culture fluid 10 and inside which the conditioning fluid 30 flows.
II sistema comprende inoltre un volano termico per l'immagazzinamento dell'energia termica incamerata dai fotobioreattori 1 durante l'esposizione all'irraggiamento solare ed assorbita dal fluido di condizionamento 30 durante il passaggio nei mezzi scambiatori di calore. The system also comprises a thermal flywheel for storing the thermal energy stored by the photobioreactors 1 during exposure to solar radiation and absorbed by the conditioning fluid 30 during its passage through the heat exchanger means.
Tale volano termico comprende almeno un serbatoio 3 di prestabilite dimensioni collegato al circuito di circolazione 2 del fluido di condizionamento 30, preferibilmente acqua. This thermal flywheel comprises at least one tank 3 of predetermined dimensions connected to the circulation circuit 2 of the conditioning fluid 30, preferably water.
È prevista inoltre almeno una pompa di circolazione 20, sensori di temperatura del liquido di coltura 32 e del fluido di condizionamento 30 contenuto nel serbatoio 3 e un'unità di comando 4 per la comparazione tra loro e/o con prestabiliti valori di soglia dei valori di temperatura rilevati dai sensori di temperatura 12, 32 e per l'azionamento della pompa di circolazione 4. There is also at least one circulation pump 20, temperature sensors of the culture liquid 32 and of the conditioning fluid 30 contained in the tank 3 and a control unit 4 for the comparison between them and / or with predetermined threshold values of the values of temperature detected by the temperature sensors 12, 32 and for the activation of the circulation pump 4.
L'unità di comando può essere di tipo qualsivoglia, analogico o digitale, essendo preferibilmente costituita da una pluralità di termostati . The control unit can be of any type, analog or digital, being preferably made up of a plurality of thermostats.
Quando la temperatura del fluido di coltura 10 cala rendendo necessario un riscaldamento del fotobioreattore 1 e la temperatura del liquido di condizionamento 30 nel serbatoio 3 à ̈ tale da poter scaldare il fotobioreattore, l'unità di comando 4 aziona la pompa di circolazione 20 e il fluido di condizionamento 30 scorre all'interno dei mezzi scambiatori di calore cedendo calore al fluido di coltura 10. When the temperature of the culture fluid 10 drops making it necessary to heat the photobioreactor 1 and the temperature of the conditioning liquid 30 in the tank 3 is such as to be able to heat the photobioreactor, the control unit 4 activates the circulation pump 20 and the conditioning fluid 30 flows inside the heat exchanger means, yielding heat to the culture fluid 10.
Allo stesso modo, quando la temperatura del fluido di coltura 10 sale rendendo necessario un raffreddamento del fotobioreattore 1 e la temperatura del liquido di condizionamento 30 nel serbatoio 3 à ̈ tale da poter raffreddare il fotobioreattore 1, l'unità di comando 4 aziona corrispondentemente la pompa di circolazione 20 e il liquido di coltura 10 viene raffreddato. Similarly, when the temperature of the culture fluid 10 rises making it necessary to cool the photobioreactor 1 and the temperature of the conditioning liquid 30 in the tank 3 is such as to be able to cool the photobioreactor 1, the control unit 4 operates the circulation pump 20 and the culture liquid 10 is cooled.
La figura 1 illustra in modo schematico cosa si intende per volano termico in un sistema di termostatazione per fotobioreattori. Figure 1 schematically illustrates what is meant by thermal flywheel in a thermostating system for photobioreactors.
Questa configurazione che può funzionare perfettamente in presenza di sbalzi di temperatura poco significativi. This configuration that can work perfectly in the presence of little significant temperature changes.
L'introduzione di questo sistema in un contesto reale, in cui gli sbalzi di temperatura possono assumere una maggiore entità , porta la necessità di avere sistemi di compensazione ausiliari al volano termico . The introduction of this system in a real context, in which the temperature changes can take on a greater entity, brings the need to have auxiliary compensation systems to the thermal flywheel.
La figura 2 illustra una forma esecutiva ulteriore, in cui sono previsti mezzi ausiliari di riscaldamento 5 e mezzi ausiliari di raffreddamento 6 del fluido di condizionamento 30. Figure 2 illustrates a further embodiment, in which auxiliary heating means 5 and auxiliary means for cooling 6 of the conditioning fluid 30 are provided.
Ciò permette di garantire la termostatazione del fotobioreattore 1 anche in condizioni in cui la temperatura del fluido di coltura 30 cala rendendo necessario un riscaldamento del fotobioreattore 1 ma la temperatura del liquido di condizionamento 30 nel serbatoio 3 non à ̈ tale da poter riscaldare il fotobioreattore 1, oppure in condizioni in cui la temperatura del fluido di coltura 10 sale rendendo necessario un raffreddamento del fotobioreattore 1 ma la temperatura del liquido di condizionamento 30 nel serbatoio 3 non à ̈ tale da poter raffreddare il fotobioreattore 1. This allows to guarantee the thermostating of the photobioreactor 1 even in conditions in which the temperature of the culture fluid 30 drops, making it necessary to heat the photobioreactor 1 but the temperature of the conditioning liquid 30 in the tank 3 is not such as to be able to heat the photobioreactor 1 , or in conditions in which the temperature of the culture fluid 10 rises, making it necessary to cool the photobioreactor 1 but the temperature of the conditioning liquid 30 in the tank 3 is not such as to be able to cool the photobioreactor 1.
I mezzi di riscaldamento 5 e i mezzi di raffreddamento 6 possono essere di tipo qualsivoglia. The heating means 5 and the cooling means 6 can be of any type.
II modo più semplice per raffreddare il fluido di condizionamento 30 à ̈ utilizzare come fluido di condizionamento 30 acqua di falda da pompare all'interno del circuito 2, la quale viene espulsa dal circuito 2 dopo il passaggio attraverso i mezzi scambiatori di calore e il conseguente raffreddamento del fluido di coltura 10. The simplest way to cool the conditioning fluid 30 is to use groundwater as the conditioning fluid 30 to be pumped inside the circuit 2, which is expelled from the circuit 2 after passing through the heat exchanger means and the consequent cooling of the culture fluid 10.
I mezzi di raffreddamento 6 del fluido di condizionamento 30 possono comprendere almeno un dissipatore ambientale di calore di tipo qualsivoglia, preferibilmente una torre evaporativa. The cooling means 6 of the conditioning fluid 30 can comprise at least one environmental heat sink of any type, preferably an evaporative tower.
I mezzi di riscaldamento 5 del fluido di condizionamento 30 comprendono almeno un generatore di calore di tipo qualsivoglia, preferibilmente un impianto di cogenerazione, in particolare un motore endotermico . The heating means 5 of the conditioning fluid 30 comprise at least one heat generator of any type, preferably a cogeneration plant, in particular an internal combustion engine.
Nell'esempio esecutivo illustrato in figura i mezzi di riscaldamento 5 e i mezzi di raffreddamento 6 sono posti in parallelo al circuito 2 e sono azionabili alternativamente dall'unità di comando, essendo previste inoltre valvole 28 e 29 di apertura o chiusura dei rami di circuito in cui sono previsti rispettivamente i mezzi di riscaldamento 5 e i mezzi di raffreddamento 6. In the embodiment illustrated in the figure, the heating means 5 and the cooling means 6 are placed in parallel with the circuit 2 and can be operated alternatively by the control unit, valves 28 and 29 are also provided for opening or closing the branches of the circuit in to which the heating means 5 and the cooling means 6 are respectively provided.
In figura 3 Ã ̈ illustrato un ulteriore esempio esecutivo in cui i mezzi di riscaldamento e/o di raffreddamento del fluido di condizionamento 30 comprendono almeno una pompa di calore 56. Figure 3 illustrates a further executive example in which the means for heating and / or cooling the conditioning fluid 30 comprise at least one heat pump 56.
La pompa di calore 56 può essere utilizzata sia per il riscaldamento sia per il raffreddamento del fluido di condizionamento 30 in base alla propria configurazione operativa. The heat pump 56 can be used for both heating and cooling of the conditioning fluid 30 according to its operating configuration.
Nell'esempio in figura la pompa di calore 56 assorbe calore da un ambiente esterno e lo trasferisce al volano termico o assorbe calore dal volano termico e lo trasferisce all'ambiente esterno. In the example in the figure, the heat pump 56 absorbs heat from an external environment and transfers it to the thermal flywheel or absorbs heat from the thermal flywheel and transfers it to the external environment.
L'ambiente esterno può comprendere l'atmosfera, una falda acquifera, il mare, un lago, un corso d'acqua, un pozzo artesiano, una sonda geotermica o simili . The external environment can include the atmosphere, an aquifer, the sea, a lake, a stream, an artesian well, a geothermal probe or the like.
La pompa di calore 56 può quindi essere del tipo cosiddetto acqua-acqua quando à ̈ in comunicazione con una falda acquifera, il mare, un lago o un qualsivoglia bacino d'acqua, un corso d'acqua o un pozzo artesiano per l'assorbimento o la cessione di calore . The heat pump 56 can therefore be of the so-called water-water type when it is in communication with an aquifer, the sea, a lake or any basin of water, a watercourse or an artesian well for absorption. or the transfer of heat.
Al contrario può essere del tipo cosiddetto acqua-aria quando à ̈ in comunicazione con l'atmosfera. On the contrary, it can be of the so-called water-air type when it is in communication with the atmosphere.
La pompa di calore 56 può utilizzare un ciclo frigorifero ad assorbimento per il raffreddamento del liquido di conduzione 30. The heat pump 56 can use an absorption refrigeration cycle to cool the conduction liquid 30.
Alla pompa di calore sono associate una prima pompa 21 e una seconda pompa 22, essendo la prima pompa 21 destinata al pompaggio dell'acqua calda e la seconda pompa 22 destinata al pompaggio dell'acqua fredda quando la pompa di calore à ̈ nella configurazione operativa tale per cui preleva calore dall'ambiente esterno per cederlo al circuito 2 e viceversa. A first pump 21 and a second pump 22 are associated with the heat pump, the first pump 21 being intended for pumping hot water and the second pump 22 intended for pumping cold water when the heat pump is in the operating configuration. such that it takes heat from the external environment to transfer it to circuit 2 and vice versa.
La pompa di calore 56, la prima pompa 21 e la seconda pompa 22 sono azionabili dall'unità di comando 4. The heat pump 56, the first pump 21 and the second pump 22 can be operated from the control unit 4.
In una forma esecutiva ulteriore illustrata in figura 4 il volano termico comprende due serbatoi che possono essere mantenuti a differenti temperature in modo da costituire rispettivamente un pozzo freddo 302 e un pozzo caldo 301 e che sono collegabili al circuito 2 in modo tale per cui la pompa di calore 56 assorbe calore dal pozzo freddo 302 e cede tale calore al pozzo caldo 301. In a further embodiment illustrated in Figure 4, the thermal flywheel comprises two tanks which can be kept at different temperatures so as to constitute respectively a cold well 302 and a hot well 301 and which are connectable to the circuit 2 in such a way that the pump of heat 56 absorbs heat from the cold well 302 and transfers that heat to the hot well 301.
In questo modo il pozzo caldo viene utilizzato per il riscaldamento del fotobioreattore 1. In this way the hot well is used for heating photobioreactor 1.
Vantaggiosamente il pozzo caldo viene coibentato per impedire la dissipazione del calore immagazzinato . Advantageously, the hot well is insulated to prevent the dissipation of the stored heat.
In una forma esecutiva alternativa leggermente differente la pompa di calore 56 assorbe calore dal pozzo freddo 302 e cede tale calore al pozzo caldo 301, in modo tale per cui il pozzo freddo 302 viene utilizzato per il raffreddamento del fotobioreattore 1. In a slightly different alternative embodiment the heat pump 56 absorbs heat from the cold well 302 and transfers this heat to the hot well 301, so that the cold well 302 is used for cooling the photobioreactor 1.
La figura 5 illustra una forma esecutiva preferita del sistema oggetto della presente invenzione, mediante la quale à ̈ implementata la completa automatizzazione del sistema stesso. Figure 5 illustrates a preferred embodiment of the system object of the present invention, by means of which the complete automation of the system itself is implemented.
Tale configurazione prevede un sensore di temperatura 321 del liquido di condizionamento 30 nel pozzo caldo 301, un sensore di temperatura 322 del liquido di condizionamento 30 nel pozzo freddo 302. This configuration provides a temperature sensor 321 for the conditioning liquid 30 in the hot well 301, a temperature sensor 322 for the conditioning liquid 30 in the cold well 302.
L'unità di comando 4 e le connessioni elettriche tra tale unità di comando 4 e i sensori di temperatura e gli altri dispositivi del sistema sono omesse per chiarezza essendo ricostruibili analogamente a quelle illustrate nelle precedenti figure. The control unit 4 and the electrical connections between this control unit 4 and the temperature sensors and the other devices of the system are omitted for clarity as they can be reconstructed analogously to those illustrated in the previous figures.
L'unità di comando 4 compara con prestabiliti valori di soglia i valori di temperatura rilevati dai sensori di temperatura 322, 321 e 12 ed aziona o disattiva in modo differenziato una pluralità di valvole 24, 25, 26, 27 e/o di pompe 20, 21, 22, 23 previste nel detto circuito in modo tale per cui sulla base della combinazione di valori di temperatura viene utilizzato il detto volano termico e/o vengono azionati o disattivati i detti mezzi di riscaldamento e/o raffreddamento del fluido di condizionamento 30 e/o viene utilizzato un fluido di condizionamento esterno, in particolare acqua prelevata da una falda acquifera. The control unit 4 compares the temperature values detected by the temperature sensors 322, 321 and 12 with predetermined threshold values and differentially activates or deactivates a plurality of valves 24, 25, 26, 27 and / or pumps 20 , 21, 22, 23 provided in said circuit in such a way that on the basis of the combination of temperature values the said thermal flywheel is used and / or said means for heating and / or cooling of the conditioning fluid 30 are activated or deactivated and / or an external conditioning fluid is used, in particular water taken from an aquifer.
La pompa di falda acquifera 23 serve a prelevare e ad immettere nel circuito 2 l'acqua proveniente da una falda acquifera o simili. The groundwater pump 23 serves to withdraw and introduce into the circuit 2 the water coming from an aquifer or the like.
In tale forma esecutiva preferita il volano termico utilizza circa 60 m<3>di acqua, ripartiti in 30 m<3>nel pozzo freddo 301 e 30 m<3>nel pozzo caldo 302. In this preferred embodiment, the thermal flywheel uses about 60 m <3> of water, divided into 30 m <3> in the cold well 301 and 30 m <3> in the hot well 302.
Studi sperimentali hanno dimostrato che questo dimensionamento risulta adeguato per la termostatazione di fotobioreattori a pannelli aventi una superficie di esposizione all'irraggiamento solare di circa 125 m<2>. Experimental studies have shown that this dimensioning is adequate for the thermostating of photobioreactors with panels having a surface of exposure to solar radiation of about 125 m <2>.
Per maggior chiarezza sono illustrate nel dettaglio nelle figure 6 a 11 le differenti configurazioni che il sistema può assumere sulla base dei valori di temperatura rilevati. For greater clarity the different configurations that the system can assume on the basis of the detected temperature values are illustrated in detail in figures 6 to 11.
Nelle figure 6 a 11 i settori di circuito attivi sono indicati con una linea continua, mentre i settori interrotti sono indicati con una linea tratteggiata In figures 6 to 11 the active circuit sectors are indicated with a solid line, while the interrupted sectors are indicated with a dashed line
L'intervallo ottimale di valori di temperatura à ̈ indicato generalmente come Ti-2dT<Tr<Ti+dT, dove Tr à ̈ la temperatura del fluido di coltura 10, Ti la temperatura ideale e dT lo scarto da tale temperatura ideale . The optimal range of temperature values is generally indicated as Ti-2dT <Tr <Ti + dT, where Tr is the temperature of the culture fluid 10, Ti the ideal temperature and dT the deviation from this ideal temperature.
Tipicamente Ti à ̈ 25°C e dT circa 3°C, quindi l'intervallo ottimale di valori di temperatura à ̈ compreso tra 19°C e 28°C. Typically Ti is 25 ° C and dT about 3 ° C, so the optimal range of temperature values is between 19 ° C and 28 ° C.
Quando la temperatura del fluido di coltura à ̈ all'interno dell'intervallo ottimale di valori, non à ̈ necessaria l'attivazione del sistema per la variazione della temperatura del fluido di coltura, e tutti i dispositivi del sistema sono spenti e i settori di circuito interrotti, come illustrato in figura 6. When the temperature of the culture fluid is within the optimal range of values, it is not necessary to activate the system for the temperature variation of the culture fluid, and all the devices of the system are switched off and the circuit sectors interrupted, as shown in figure 6.
In figura 7 à ̈ illustrata la configurazione corrispondente alla condizione in cui la temperatura del fluido di coltura supera il valore superiore di soglia dell'intervallo ottimale di valori, tipicamente 28°C, rendendo necessario un raffreddamento, e il fluido di condizionamento 30 nel pozzo freddo 302 non ha una temperatura sufficientemente bassa da poter raffreddare il fluido di coltura, ossia tipicamente à ̈ maggiore di 22°C. Figure 7 shows the configuration corresponding to the condition in which the temperature of the culture fluid exceeds the upper threshold value of the optimal range of values, typically 28 ° C, requiring cooling, and the conditioning fluid 30 in the well cold 302 does not have a sufficiently low temperature to be able to cool the culture fluid, i.e. typically it is greater than 22 ° C.
La figura 7 illustra la configurazione in cui il raffreddamento in figura à ̈ effettuato prelevando acqua di falda da far circolare nel circuito 2 come fluido di condizionamento. Figure 7 illustrates the configuration in which the cooling in the figure is carried out by taking groundwater to be circulated in circuit 2 as a conditioning fluid.
Viene aperta la valvola 25 ed azionata la pompa di falda acquifera 23 e vengono collegati in serie tra loro il pozzo caldo 301 e il pozzo freddo 302, mentre le restanti valvole sono chiuse e le restanti pompe sono inattive. The valve 25 is opened and the groundwater pump 23 is activated and the hot well 301 and the cold well 302 are connected in series, while the remaining valves are closed and the remaining pumps are inactive.
L'acqua di falda passa nel fotobioreattore assorbendo calore e raffreddando il liquido di coltura, dopodiché attraversa il pozzo caldo 301 e il pozzo freddo 302 e viene quindi riversata nell'ambiente esterno. The groundwater passes into the photobioreactor, absorbing heat and cooling the culture liquid, after which it passes through the hot well 301 and the cold well 302 and is then discharged into the external environment.
Questa modalità operativa viene nominata per semplicità espositiva "estate". This operating mode is named "summer" for the sake of simplicity.
Una tale configurazione à ̈ vantaggiosa solo se si ha una buona disponibilità di acqua di falda. Such a configuration is only advantageous if there is a good availability of groundwater.
In alternativa à ̈ possibile configurare il sistema come illustrato in figura 8, in cui la pompa di falda acquifera 23 à ̈ inattiva e le valvole 24, 25 e 27 sono chiuse, mentre la pompa di calore 56 e le corrispondenti pompe 21 e 22 sono attive, così come la pompa di circolazione 20, essendo inoltre aperta la valvola 26. Alternatively, it is possible to configure the system as shown in figure 8, in which the groundwater pump 23 is inactive and the valves 24, 25 and 27 are closed, while the heat pump 56 and the corresponding pumps 21 and 22 are active, as well as the circulation pump 20, the valve 26 being also open.
In questo modo la pompa di calore 56 assorbe calore dal pozzo freddo 302 e lo cede al pozzo caldo 301, essendo il fluido di condizionamento 30 in uscita dal pozzo freddo utilizzato per raffreddare il fluido di coltura 10. In this way the heat pump 56 absorbs heat from the cold well 302 and transfers it to the hot well 301, the conditioning fluid 30 leaving the cold well being used to cool the culture fluid 10.
Quando la temperatura del fluido di coltura 10 Ã ̈ maggiore di 28°C e la temperatura del fluido di condizionamento 30 all'interno del pozzo freddo 302 Ã ̈ inferiore a 22°, Ã ̈ possibile utilizzare il fluido di condizionamento 30 proveniente dal pozzo freddo 302 per assorbire calore dal fluido di coltura 10 raffreddando e immagazzinare al contempo tale calore nel pozzo caldo 301. When the temperature of the culture fluid 10 is greater than 28 ° C and the temperature of the conditioning fluid 30 inside the cold well 302 is lower than 22 °, it is possible to use the conditioning fluid 30 coming from the cold well 302 to absorb heat from the culture fluid 10 while cooling and at the same time storing that heat in the hot well 301.
Allo stesso modo quando la temperatura del fluido di coltura 10 Ã ̈ minore di 19°C e la temperatura del fluido di condizionamento 30 all'interno del pozzo freddo 302 Ã ̈ maggiore di 22°, Ã ̈ possibile utilizzare il fluido di condizionamento 30 proveniente dal pozzo freddo 302 per cedere il calore precedentemente immagazzinato al fluido di coltura 10. Similarly when the temperature of the culture fluid 10 is less than 19 ° C and the temperature of the conditioning fluid 30 inside the cold well 302 is greater than 22 °, it is possible to use the conditioning fluid 30 coming from from the cold well 302 to transfer the heat previously stored to the culture fluid 10.
Queste modalità operative vengono nominate per semplicità espositiva rispettivamente "primavera giorno" e "primavera notte" e sono entrambe attuabili con la configurazione illustrata in figura 9, la quale configurazione corrisponde fondamentalmente alla forma esecutiva illustrata in figura 1. These operating modes are named for simplicity of display respectively "spring day" and "spring night" and are both feasible with the configuration illustrated in figure 9, which configuration basically corresponds to the embodiment illustrated in figure 1.
In questa configurazione il pozzo caldo 301 e il pozzo freddo 302 vengono collegati in serie tra loro, la pompa di falda acquifera 23, la pompa di calore 56 e le rispettive pompe 21 e 22 sono inattive, e le valvole 24, 25 e 27 sono chiuse, mentre la valvola 26 Ã ̈ aperta e la pompa di circolazione 20 Ã ̈ azionata. In this configuration the hot well 301 and the cold well 302 are connected in series with each other, the groundwater pump 23, the heat pump 56 and the respective pumps 21 and 22 are inactive, and the valves 24, 25 and 27 are closed, while the valve 26 is open and the circulation pump 20 is activated.
La figura 10 illustra la configurazione che viene adottata dal sistema quando la temperatura del fluido di coltura 10 Ã ̈ minore di 19°C, rendendo necessario un riscaldamento, la temperatura del pozzo caldo 301 Ã ̈ inferiore a 32° e la temperatura del pozzo freddo 302 Ã ̈ compresa tra 12°C e 19°C. Figure 10 illustrates the configuration that is adopted by the system when the temperature of the culture fluid 10 is less than 19 ° C, requiring heating, the temperature of the hot well 301 is less than 32 ° and the temperature of the cold well 302 is between 12 ° C and 19 ° C.
In questo caso la pompa di falda acquifera 23 Ã ̈ inattiva e le valvole 24 e 25 e 26 sono chiuse, mentre la pompa di calore 56 e le rispettive pompe 21 e 22 e la pompa di circolazione 20 sono azionate, e la valvola 27 Ã ̈ aperta. In this case the ground water pump 23 is inactive and the valves 24 and 25 and 26 are closed, while the heat pump 56 and the respective pumps 21 and 22 and the circulation pump 20 are activated, and the valve 27 Ã ̈ open.
In questo modo la pompa di calore assorbe calore dal pozzo freddo 302 e lo cede al pozzo caldo 301, e il fluido di conduzione 30 viene inviato dal pozzo caldo 301 al fotobioreattore 1 per riscaldare il liquido di coltura 10. In this way the heat pump absorbs heat from the cold well 302 and transfers it to the hot well 301, and the conduction fluid 30 is sent from the hot well 301 to the photobioreactor 1 to heat the culture liquid 10.
Questa modalità operativa viene nominata per semplicità espositiva "autunno" e questa configurazione à ̈ fondamentalmente corrispondente all'esempio esecutivo illustrato in figura 4. This operating mode is named "autumn" for the sake of simplicity and this configuration is basically corresponding to the executive example illustrated in figure 4.
Quando ci si trova in una condizione simile a quella teste esposta, cioà ̈ in cui la temperatura del fluido di coltura 10 à ̈ minore di 19°C, rendendo necessario un riscaldamento, e la temperatura del pozzo caldo 301 à ̈ inferiore a 32, ma la temperatura del pozzo freddo 302 à ̈ minore di 12°C, può essere vantaggioso assorbire calore dalla falda acquifera piuttosto che dal pozzo freddo 302. When you are in a condition similar to that of the exposed head, i.e. where the temperature of the culture fluid 10 is less than 19 ° C, requiring heating, and the temperature of the hot well 301 is less than 32, but the temperature of the cold well 302 is less than 12 ° C, it may be advantageous to absorb heat from the aquifer rather than from the cold well 302.
Infatti per ragioni di geotermia l'acqua di falda mantiene tipicamente una temperatura compresa tra 13°C e 17°C. In fact, for geothermal reasons the groundwater typically maintains a temperature between 13 ° C and 17 ° C.
Il sistema adotta allora una configurazione come quella illustrata in figura 11, in cui la pompa di calore 56 Ã ̈ azionata, con la corrispondente pompa 21. The system then adopts a configuration like the one illustrated in figure 11, in which the heat pump 56 is operated, with the corresponding pump 21.
La pompa 22 à ̈ disattiva in quanto à ̈ azionata la pompa di falda acquifera 23 ed à ̈ aperta la valvola 24 e chiusa la valvola 25, e quindi la pompa di calore 56 à ̈ alimentata direttamente dalla pompa di falda acquifera 23. The pump 22 is deactivated as the ground water pump 23 is activated and the valve 24 is open and the valve 25 closed, and therefore the heat pump 56 is fed directly by the ground water pump 23.
La valvola 26 Ã ̈ chiusa, in questo modo la pompa di calore 56 preleva acqua di falda, assorbe calore da essa e lo cede al pozzo caldo. The valve 26 is closed, in this way the heat pump 56 takes ground water, absorbs heat from it and transfers it to the hot well.
L'acqua di falda raffreddata viene quindi inviata al pozzo freddo 302 e da qui dispersa nell'ambiente esterno. The cooled groundwater is then sent to the cold well 302 and from there dispersed into the external environment.
Il liquido di condizionamento 30 del pozzo caldo 301 viene quindi utilizzato per scaldare il liquido di coltura 10, essendo aperta la valvola 27 ed azionata la pompa di circolazione 20. The conditioning liquid 30 of the hot well 301 is then used to heat the culture liquid 10, the valve 27 being open and the circulation pump 20 being activated.
Questa configurazione corrisponde fondamentalmente all'esempio esecutivo illustrato in figura 3, e questa modalità operativa à ̈ nominata per chiarezza espositiva "inverno". This configuration basically corresponds to the executive example illustrated in figure 3, and this operating mode is named "winter" for clarity.
La figura 11 illustra un diagramma di flusso dell'automazione della termostatazione effettuata dal sistema oggetto della presente invenzione. Figure 11 illustrates a flow diagram of the automation of the thermostating carried out by the system object of the present invention.
Se la temperatura Tr del fluido di coltura 10 à ̈ compresa nell'intervallo di valori ottimali, cioà ̈ Ti-2dT<Tr<Ti+dT, il sistema à ̈ spento. If the temperature Tr of the culture fluid 10 is within the optimal range, ie Ti-2dT <Tr <Ti + dT, the system is switched off.
Se invece Tr>Ti+dT, rendendo quindi necessario un raffreddamento, e la temperatura TPFdel liquido di condizionamento 30 nel pozzo freddo 302 à ̈ maggiore di 22°C, si attiva la modalità operativa "estate", altrimenti se TfP<22°C si attiva la modalità operativa "primavera giorno". If, on the other hand, Tr> Ti + dT, thus making cooling necessary, and the temperature TPF of the conditioning liquid 30 in the cold well 302 is greater than 22 ° C, the "summer" operating mode is activated, otherwise if TfP <22 ° C the "spring day" operating mode is activated.
Se invece Tr<Ti-2dT, rendendo quindi necessario un riscaldamento, e TPF>19°C, si attiva la modalità operativa "primavera notte", altrimenti se 12°C<TPF<19°C si attiva la modalità operativa "autunno", altrimenti se TPF<12°C si attiva la modalità operativa "inverno". If, on the other hand, Tr <Ti-2dT, thus requiring heating, and TPF> 19 ° C, the "spring night" operating mode is activated, otherwise if 12 ° C <TPF <19 ° C the "autumn" operating mode is activated , otherwise if TPF <12 ° C the "winter" operating mode is activated.
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| US4320594A (en) * | 1978-12-28 | 1982-03-23 | Battelle Memorial Institute | Mass algal culture system |
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2011
- 2011-02-28 IT ITGE2011A000021A patent/IT1404137B1/en active
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