MX2011001902A - Metodo y aparato para cultivar organismos. - Google Patents

Abstract

Un biorreactor para crecer organismos tal como las microalgas, incluye un contenedor con sección transversal parabólica para llevar un medio cultivo al organismo. Un director de flujo, generalmente triangular, en el centro del fondo del contenedor con una tubería en su extremo superior contiene las aperturas para llevar el líquido, tal como un medio cultivo bajo presión, hacia arriba al medio cultivo para crear el flujo laminar del medio cultivo en rotaciones contra la dirección del flujo en los lados opuestos del director de flujo. Así, se realiza la mezcla completa del medio cultivo y los organismos. El invento actual ofrece un sistema biorreactor que asegura la mezcla continua y completa de organismos como las microalgas, medio cultivo y nutrientes, y cambio constante de las áreas y zonas de la biomasa y movimiento hacia la luz disponible, dando por resultado un medio ambiente aumentado para el crecimiento de los organismos.

Description

MÉTODO Y APARATO PARA CULTIVAR ORGANISMOS Campo de la Invención Este invento se relaciona con el sistema biorreactor para crecer organismos, y en particular las microalgas.

Antecedentes de la Invención El aceite que se extrae de las microalgas se usa para hacer el combustible biodiesel yi productos farmacéuticos. Los sistemas que se emplean para crecer las microalgas se revelan, por ejemplo, en las siguientes solicitudes de patentes estadounidenses, 2008/0220515 (Me Cali), publicado el 11 de septiembre de 2008; 2008/0268302 (Me Cali), publicado el 30 de octubre de 2008; 2008/0274494 (Kertz) , publicado el 6 de noviembre de 2008; 2008/0293132 (Goldman et al), publicado el 27 de noviembre de 2008 y 2008/0299643 (Howard et al) publicado el 4 de diciembre de 2008. Por lo general, las microalgas son crecidas a través de introducir nutrientes en un cultivo de microalgas y exponer la biomasa resultante a la luz en una zona cultiva. Los problemas que se encuentran con los sistemas actuales para cultivar alga incluyen (i) asegurar una mezcla eficiente de los nutrientes con las microalgas, y (ii) contacto de la luz con todas las superficies de la biomasa.

Sumario de la Invención El invento actual ofrece un sistema biorreactor que asegura una mezcla continua y exhaustiva de microalgas, medio de crecimiento y nutrientes, y cambio continuo de las áreas o zonas de la biomasa a la luz disponible a ello. El invento también provee un director de flujo que se usa en el biorreactor que introduce continuamente los nutrientes a la biomasa, y crea un flujo laminar en la biomasa asi asegurando que toda la biomasa circule y se mezcle continuamente en el biorreactor. Asi, todas las zonas y las superficies de la biomasa están transportadas y expuestas a la fuente de la luz natural/artificial ubicada en el biorreactor. El sistema biorreactor se puede utilizar también para crecer otros organismos que se aprovechan de la mezcla continua del cultivo de los organismos, nutrientes, medios de crecimiento o exposición a la luz.

En su forma más básica, el sistema biorreactor del invento actual incluye un biorreactor de tamaño variable para crecer microorganismos tal como las microalgas, que comprende un contenedor con paredes, paredes laterales y un fondo por lo menos parcialmente redondeado para llevar el medio cultivo para el organismo; al menos una tubería para introducir los nutrientes a dicho medio cultivo en el contenedor; y a un director de flujo en la pared de fondo para recibir el líquido bajo presión, y dicho director de flujo incluye un cuerpo elongado con un par de paredes laterales que convergen hacia arriba para llevar el medio cultivo hacia al lado de cada pared lateral, una pared inferior que se extiende entre el extremo inferior de las paredes laterales; un tubo primario en los extremos superiores de las paredes laterales; dicho tubo primario con aperturas para - - descargar el liquido bajo presión hacia arriba al medio cultivo que sirve para crear el flujo laminar del medio cultivo hacia arriba y luego por fuera hacia las paredes laterales, que dirige el liquido hacia abajo a lo largo de las paredes laterales del contenedor, a lo largo de la pared del fondo, y hacia arriba a lo largo de las paredes laterales del director de flujo entrando en la trayectoria del liquido que fluye hacia arriba.

Descripción de los Dibujos de la Invención El invento se describe aquí abajo con más detalle y con referencias a los dibujos adjuntados que demuestran una encarnación preferida del invento y donde: Dibujo 1 es el esquemático visto desde arriba de un sistema biorreactor en conformidad con el invento; Dibujo 2 es un esquemático, visto desde el extremo parcialmente seccionado de la vista del dibujo 1; Dibµjo 3 es una vista ispmétrica de una parte del director de flujo que se emplea en el sistema de dibujos 1 y 2; Dibujo 4 es una vista del extremo del director de flujo en el dibujo 4; y Dibujo 5 es una vista de la sección transversal de una parte de la cisterna del biorreactor empleada en el sistema de dibujos 1 y 2.

Descripción Detallada de la Invención Con referencia a los dibujos 1 y 2, un sistema biorreactor en conformidad con el invento incluye un par de cubiertas parecidas a invernaderos indicados generalmente en 1. Se comprende que no se pueden utilizar tales estructuras 1 para todas aplicaciones ni una sola cubierta o estructura se podría utilizar, y que un sistema grande de biorreactores incluiría muchas estructuras como la 1. Cada una de las cubiertas 1 tiene un contenedor definido por un par de cisternas rectangulares 2 que tienen configuraciones de sección transversal parabólica. De la descripción siguiente se comprenderá que la sección transversal de la cisterna 2 puede ser otra que parabólica. Los mismos resultados pueden realizarse utilizando otros contenedores como un hueco en la tierra o una cisterna con sección transversal rectangular con la pared del fondo horizontal, paredes verticales y esquinas inferiores biseladas. Las cisternas 2 están destinadas al transporte de un medio cultivo 3 que consiste en agua y varios nutrientes.

Los nutrientes para cultivar microalgas son variables y pueden incluir soluciones acuosas de nitrato de sodio (NaN03) en un contenedor 3, fosfato de sodio (NaH) en un contenedor 4, cloruro férrico (FeC13) en un contenedor 5, y bicarbonato de sodio (NaHC03) en un contenedor 6. Los nutrientes salen de las cisternas 3 -6 a través de tuberías 7 - 10 que contienen las válvulas 11 - 14, respectivamente a una bomba 16. Desde la bomba 16, los nutrientes fluyen a través de una tubería 17 que contiene una válvula controladora 18, y tuberías 19 y 20 a los directores de flujo 22 en las cisternas 2.

Al mismo tiempo, el dióxido de carbono (C02) se - - mezcla con el agua utilizando un aparato de mezcla 23 del tipo descrito en el Patente de EE.UU. número 6,209,855, adjudicado a Craig L. Glassford el 3 de abril de 2001, se incorpora aquí por referencia o un aparato alternativo para mezclar el dióxido de carbono con el agua podría utilizarse. La mezcla de dióxido de carbón y agua que se introduce a través de la bomba 24 y la tubería 25 a un extremo del primer director de flujo 22. La mezcla de C02 y agua procede entonces a través de la tubería 27 al segundo director de flujo 22.

Una cultura de microalgas fluye continuamente de un cilindro de cultivo transparente 28 a través de la tubería 29 a las cisternas 2. Las especies de microalgas objetivas se emplean continuamente para inocular el agua que se introduce en las entradas de la primera cisterna 2. La solución de inoculo entra por gravedad y el flujo está controlado por una válvula ajustable 30.

Con referencia a los dibujos 3 y 4, cada director de flujo 22 incluye un conjunto generalmente triangular definido por un muro con fondo plano 32 y un par de paredes al lado 33. Se comprenderá que la pared de fondo del cuerpo triangular se puede definir por la pared de fondo de la cisternas, i.e., los extremos interiores de las paredes laterales del director de flujo se puede conectar directamente a la pared de fondo de la cisterna 22. Las paredes 33 tienen las superficies externas cóncavas. Un tubo flexible 35 se extiende a lo largo del director de flujo 22 y se intercala entre los extremos - - superiores 36 y las paredes 33. El tubo 35 se apoya en el director de flujo por una barra 30 conectada a las paredes 33 debajo del tubo. El tubo 35 es parecido al tubo de aeración burbuja descrito en la Publicación del patente de EE.UU. 2008/0296789 (John N . Hinde) publicada el 4 de diciembre de 2008 (incluido aquí por referencia) .

El Tubo 35 incluye un pasaje central 38 y una pluralidad de ranuras 39 en su extremo superior semicilindrico que comunica con el pasaje 38. Cuando un liquido bajo presión se bombea a través del tubo, las ranuras 39 sirven de válvulas de un solo sentido para descargar el liquido al medio de cultivo 3 en las cisternas 2. El tubo 35 se usa para introducir el C02, que contiene el agua u otro C02 - que contiene liquido, al medio de cultivo 3 que asi crea el flujo laminar del medio cultivo. Como indicado por las flechas 40 en el dibujo 2, el liquido descargado del tubo 35 fluye hacia arriba del director de flujo 22, luego por fuera hacia los lados 41 (Dibujos 2 y 5) de las cisterna 2, hacia abajo siguiendo los lados curvos de la cisterna hasta los términos interiores de los lados del director de flujo 22, y, finalmente, fluye hacia arriba hasta juntarse con el flujo del tubo 35.

Al mismo tiempo, los nutrientes de las cisternas 3 y 6 fluyen en los tubos 42 puestos debajo del director de flujo de las paredes 33 con sus extremos superiores externos pasando por las paredes. Los tubos 42 se apoyan en el director de flujo 22 por soportes semicilíndricos 43. Los tubos 42 tienen una estructura parecida a los tubos 35, incluyendo pasajes centrales 44 y ranuras 45 en sus extremos superiores externos. Los tubos 42 se emplean para proporcionar un suministro de nutrientes a baja presión a la biomasa en las cisternas 2.

Por lo tanto, se comprenderá que la mezcla de microalgas, dióxido de carbono y nutrientes circula continuamente en un flujo laminar asegurando la máxima mezcla de los nutrientes y de exposición a las luces disponibles, sean de fuentes naturales o artificiales 47, montadas en la parte superior de cada lado de cada cisterna 2. Mejor visto en el dibujo 5, las luces 47 son suspendidas por debajo de los reflectores de acero inoxidable 48, que están conectados con los lados 41 de las cisternas 2 por pernos 49.

En resumen, el aparato que se describe aquí arriba, forma un conjunto de cinco procesos fundamentales para mejorar el crecimiento de biomasa de microalgas más allá de los niveles normales por todas partes de la capacidad en tres dimensiones del aparato. Los procesos que se implican son (i) el uso de difusión gas/liquido para crear un flujo laminar continuo, no turbulento del movimiento del medio cultivo entero en las cisternas 2, (ii) la creación de unas zonas vórtices distintas de crecimiento acuático, (iii) la dispersión y suspensión controlada de la biomasa entera de microalgas, (iv) la entrega controlada de nutrientes a la biomasa entera y (v) la exposición a la luz controlada de la biomasa entera .

Al colocar el director del flujo 22 en una ubicación precisa, al centro inferior de una cisterna de cultivo 2 o otro contenedor con una configuración adecuadamente cuadriculada, por ejemplo, parabólica o rectangular con esquinas inferiores biseladas, un vector de flujo laminar de agua crea un vórtice dinámico y un medio controlado para llevar las microalgas a la luz natural (el sol) y/o artificial fuente de luz 47. Esto ajusta el tiempo de exposición de la población de microalgas a la fuente de luz, suspensión uniforme de las microalgas en el sistema cultivo para el máximo acceso a los nutrientes, distribuye de manera uniforme los nutrientes a loas microalgas y gestiona todo el ciclo de crecimiento por manipulación de los factores clave necesarios para un mayor crecimiento de la biomasa de microalgas.

El uso del flujo laminar produce un movimiento suave de las microalgas para eliminar el potencial de daño celular o estrés ocasionado por el flujo turbulento al azar. El vector de flujo laminar asegura la penetración máxima de luz al medio cultivo acuático a través de la distribución y dispersión uniforme de los distintos cuerpos de las células de microalgas en el medio cultivo acuático para mejor exposición a las fuentes disponibles de luz. Además, dispersión y distribución de los nutrientes en el cultivo acuático mejora la disponibilidad de nutrientes esenciales para el crecimiento sostenible de la biomasa de microalgas.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Un biorreactor para crecer microorganismos que comprende: Un contenedor de cultivo que tiene un extremo superior abierto, paredes laterales y al menos una pared de fondo parcialmente redondeado que sirve para llevar un medio cultivo para el organismo; - por lo menos una tubería primaria para introducir los nutrientes a dicho medio cultivo en el contenedor de cultivo; - un director de flujo en la pared de fondo del contenedor para recibir el líquido bajo presión, dicho director de flujo que incluye un cuerpo alargado con un par de paredes laterales que convergen hacia arriba para dirigir el medio cultivo hacia arriba a lo largo de cada pared lateral, y una pared de fondo que extiende entre los extremos inferiores de las paredes laterales, un tubo primario en los extremos superiores de las paredes laterales, dicho tubo con aperturas para descargar el líquido bajo presión hacia arriba, luego por fuera hacia las paredes laterales del contenedor, que dirige el medio cultivo hacia abajo a lo largo de las paredes laterales del contenedor, a lo largo de la pared de fondo de la cisterna y hacia arriba a lo largo de las paredes laterales del director de flujo a la trayectoria del líquido que fluye hacia arriba.

2. El biorreactor de la reclamación 2, en donde dichas paredes del director de flujo son cóncavas a lo largo de su longitud.

3. El biorreactor de la reclamación 2, en donde las paredes laterales y de fondo son definidas por un parábola.

4. El biorreactor de la reclamación 3, en donde el organismo es microalgas, el medio cultivo consiste en agua con los nutrientes y el medio cultivo es el dióxido de carbón con agua.

5. El biorreactor en la reclamación 4, en donde el director de flujo se ubica en el centro del fondo del contenedor.

6. El biorreactor en la reclamación 5, incluye una tubería primaria para introducir el líquido, dióxido de carbón y/o agua de medio cultivo bajo presión a un extremo de dicha tubería primaria del director de flujo.

7. El biorreactor de la reclamación 6, incluye un par de tuberías secundarias para introducir los nutrientes al fondo del contenedor en cada lado del director de flujo.

8. El biorreactor de la reclamación 7, incluye tuberías secundarias en dichas paredes laterales del director de flujo para recibir los nutrientes de dichas tuberías secundarias, dichas tuberías secundarias que se extienden a lo largo de dichas paredes laterales del director de flujo, y incluyen aperturas para descargar los nutrientes a dicho medio cultivo.

9. El biorreactor de la reclamación 8 incluye las fuentes de luz artificial en los extremos superiores de dichas paredes laterales del contenedor para fomentar el crecimiento de microalgas .

10. El biorreactor de la reclamación 9, en donde dichas fuentes de luz artificial incluyen reflectores de acero inoxidable que se extienden hacia el interior de los extremos superiores de las paredes laterales del contenedor y luces artificiales colgadas de dichos reflectores sobre el medio cultivo.

11. Un sistema biorreactor para el crecimiento de microalgas que comprende: Una cubierta por lo menos parcialmente transparente para dar entrada a la luz del sol; Un contenedor de cultivo que tiene un extremo superior abierto, paredes laterales y al menos una pared de fondo parcialmente redondeada para llevar un medio cultivo para el organismo; por lo menos una tubería primaria para introducir los nutrientes a dicho medio cultivo en el contenedor de cultivo; un director de flujo en la pared de fondo del contenedor para recibir el líquido bajo presión, dicho director de flujo que incluye un cuerpo alargado con un par de paredes laterales que convergen hacia arriba para dirigir el medio cultivo hacia arriba a lo largo de cada pared lateral, y una pared de fondo que extiende entre los extremos inferiores de las paredes laterales, un tubo primario en los extremos superiores de las paredes laterales, dicho tubo con aperturas para descargar el liquido bajo presión hacia arriba, luego por fuera hacia las paredes laterales del contenedor, que dirige el medio cultivo hacia abajo a lo largo de las paredes laterales del contenedor, a lo largo de la pared de fondo de la cisterna y hacia arriba a lo largo de las paredes laterales del director de flujo a la trayectoria del liquido que fluye hacia arriba .

12. El biorreactor de la reclamación 11, en donde dichas paredes laterales son cóncavas a lo largo de sus longitudes.

13. El bioereactor de la reclamación 12, en donde las paredes laterales y de fondo son definidas por una parábola.

14. El biorreactor de la reclamación 13, en donde el organismo consiste en microalgas, el medio cultivo consiste en agua con los . nutrientes y el medio cultivo es el dióxido de carbón con agua.

15. El biorreactor de la reclamación 14, en donde el director de flujo se ubica en el centro del fondo del contenedor.

16. El biorreactor de la reclamación 15, incluye una tubería primaria para introducir el líquido, dióxido de carbón y/o agua de medio cultivo bajo presión a un extremo de dicha tubería primaria del director de flujo.

17. El biorreactor de la reclamación 16, incluye un par de tuberías secundarias para introducir los nutrientes al fondo del contenedor en cada lado del director de flujo.

18. El biorreactor de la reclamación 17, incluye tuberías secundarias en dichas paredes laterales del director de flujo para recibir los nutrientes de dichas tuberías secundarias, dichas tuberías secundarias que se extienden a lo largo de dichas paredes laterales del director de flujo, y incluyendo aperturas para descargar los nutrientes a dicho medio . cultivo .

19. El biorreactor de la reclamación 18, incluye las fuentes de luz artificial en los extremos superiores de dichas paredes laterales del contenedor para fomentar el crecimiento de microalgas .

20. El biorreactor de la reclamación 19, en donde dichas fuentes de luz artificial incluyen reflectores de acero inoxidable que se extienden hacia el interior de los extremos superiores de las paredes laterales del contenedor y luces artificiales colgadas de dichos reflectores sobre el medio cultivo.