MX2011008773A - Fotobioreactor para el cultivo continuo de microorganismos fotosinteticos mediante iluminacion controlada. - Google Patents

Abstract

La presente invención se relaciona a un fotobioreactor particularmente apropiado para el cultivo continuo de microorganismos fotosintéticos mediante iluminación controlada, que comprende Un conjunto de canales tubulares colocados de manera vertical, secuencial y paralelo, interconectados entre ellos, conectados a su entrada por un reservorio de medio de cultivo y a su salida a un sedimentador en continuo. Desde donde dicho sedimentador en continuo presenta 2 conductos de salida, uno para recircular el medio de cultivo; adjuntamente, entre las interconexiones se encuentra localizado un reservorio de biomasa; adjuntamente, entre las interconexiones se encuentra localizado un conjunto de sensores de dióxido de carbono, y cada canal del conjunto de canales tubulares presenta cerrando su extremo superior un dispositivo de membranas, permeables a oxigeno, para recuperar el oxigeno mediante un sistema de tuberías que convergen en un conducto hacia un reservorio intercambiable de oxigeno donde se almacena; este reservorio cuenta con un sensor de oxigeno con el que se monitorea de manera continua su concentración.

Description

FOTOBIOREACTOR PARA EL CULTIVO CONTINUO DE MICROORGANISMOS FOTOSINTETICOS MEDIANTE ILUMINACION CONTROLADA CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se relaciona a un fotobioreactor particularmente apropiado para el cultivo continuo de microorganismos fotosintéticos mediante iluminación controlada.

OBJETO DE LA INVENCION La presente invención tiene por objeto proveer un fotobiorector para el cultivo de microoganismos fotosintéticos de manera continua controlando la iluminación para optimizar el cultivo, aunado al aprovechamiento del medio de cultivo, los microorganismos cultivados y el subproducto del metabolismo de los microoganismos fotosintéticos.

ANTECEDENTES Los microorganismos fotosintéticos son reconocidos como una de las formas vivientes más antiguas y más sustentables que existen debido a que gracias a su metabolismo son capaces de capturar gases de efecto invernadero para su crecimiento, el más importante de ellos es el bióxido de carbono, sin embargo también se ha comprobado que el producto del metabolismo de algunas especies es desnitrificar y reducir compuestos sulfatados, incluso producen oxigeno, gas de suma importancia para la existencia de muchos seres vivos, de hecho fueron los microorganismos fotosintéticos los que le brindaron una atmosfera rica en oxigeno facilitando el desarrollo de nuevos seres vivientes.

Esta solo es una de las características que han impulsado el avance de la biotecnología para el aprovechamiento de estos microorganismos. También han demostrado un gran potencial para el desarrollo de productos de valor agregado en el área farmacéutica, alimenticia y de biocombustibles ya que son ricos en proteínas, carbohidratos y lípidos fuentes esenciales de pigmentos, nutracéuticos, fertilizantes y aceites. Debido a esto desde los años de 1950 se han venido desarrollando tecnologías para la producción en gran escala de microalgas y cianobacterias. En un principio, y aun hoy en día, la manera más sencilla de producción consiste en lagunas que ocupan grandes extensiones superficiales para el aprovechamiento de la luz solar y aunque su construcción y mantenimiento no requiere de muchos recursos económicos presenta varias desventajas. Ya que estas lagunas se encuentran a la intemperie, y el control sobre el crecimiento de la flora se dificulta por lo que pueden presentar otras especies contaminantes a las que se desean dificultando la tarea de generar un producto especifico de alto valor agregado, otro gran problema que presenta es que la altura de estas lagunas debe ser muy poca, entre 0.2 a 0.5 m, ya que el crecimiento de las microalgas o cianobacterias impide el paso de la luz solar hasta el fondo de los estanques por lo que es necesario abarcar grandes extensiones para tener una producción significativa, la poca profundidad con la que cuentan también impiden un alto rendimiento en la captura de gases de efecto invernadero.

Debido a lo anterior se han desarrollado sistemas cerrados que pueden mejorar estos resultados; los fotobioreactores. Este tipo de sistemas permiten un mejor control sobre todas las variables que limitan la producción de biomasa permitiendo un mayor rendimiento en la captura de bióxido de carbono aumentando los tiempos de retención, facilitando el control de variables como pH y temperatura además también pueden contar con aditamentos de luz artificial para asegurar una producción continua aun cuando no se cuente con energía natural, ejemplo de esto podemos mencionar la solicitud de patente: US2010/0028977 que comprende una pluralidad de tubos para el cultivo de microorganismos fotosintéticos, sin embargo el gas producto del metabolismo no es capturado para su aprovechamiento.

La patente US 4,952,51 1 que describe un fotobioreactor, donde el invento se focaliza en el sistema de iluminación para el cultivo de microorganismos fotosensibles, permitiendo innovar en un nuevo sistema económico que permita maximizar todos los recursos y el aprovechar todos los productos derivados de la producción de biomasa asegurando la sustentabilidad del sistema.

Tomando en cuenta esta problemática los autores de esta propuesta de patente han llevado a cabo el desarrollo de un sistema sustentable que puede maximizar la captura de carbono, asegurar una producción continua de biomasa con el uso de luz LED, implementando un sistema de retroalimentación de medio de cultivo para su máximo aprovechamiento así como también un sistema de recolección de oxigeno, producto de la fotosíntesis, con la opción de ser vendido como gas puro para procesos de oxicombustión.

BREVE DESCRIPCION DE FIGURAS Figura 1. Diagrama esquemático del Sistema de producción continua de microorganismos fotosintéticos mediante iluminación controlada, motivo de esta solicitud.

Figura 2.Representación esquemática del conjunto de canales tubulares, del sistema motivo de esta solicitud.

Figura 3. Representación esquemática del circuito de control, del sistema motivo de esta solicitud.

DESCRIPCION DETALLADA DEL INVENTO El "Sistema de producción continua de microorganismo fotosintéticos mediante iluminación controlada", representado en la figura 1, comprende: Un conjunto de canales tubulares colocados de manera vertical, secuencial y en paralelo, interconectados entre ellos por su extremo superior; dicho conjunto de canales son de un material transparente para permitir el paso de luz, preferentemente de policarbonato, y exhiben: - un puerto de entrada localizado en el extremo superior del primer canal, por el cual se conecta mediante tubería un reservorio de medio de cultivo que mediante una bomba de alimentación conduce de manera regulada medio de cultivo al interior del conjunto de canales; -un puerto de salida localizado en el extemo inferior del último canal, el cual se conecta mediante tubería a un sedimentador en continuo que presenta un primer y segundo conductos de salida, donde el primer conducto de salida, se localiza en el extremo superior y se conecta mediante tubería, a la tubería de entrada de medio de cultivo por medio de una bomba de recirculación con la cual se regula el flujo de entrada al conjunto de canales; y el segundo conducto, localizado en el extremo inferior, se conecta mediante tubería a una bomba de purga y un conducto de tubería conduce el producto recuperado hacia un reservorio de biomasa; adjuntamente, entre las interconexiones se encuentra localizado un conjunto de sensores de dióxido de carbono, y cada canal del conjunto de canales tubulares presenta cerrando su extremo superior un dispositivo de membranas, permeables a oxigeno, para recuperar el oxigeno mediante un sistema de tuberías que convergen en un conducto hacia un reservorio intercambiable de oxigeno donde se almacena; este reservorio cuenta con un sensor de oxigeno con el que se monitorea de manera continua su concentración.; En el interior del conjunto de canales tubulares cada canal en su extremo inferior, presenta un dispersor, los cuales se conectan mediante tubería a un tanque de alimentación de dioxido de carbono cuyo flujo de ingreso es regulado por una válvula; y a continuación, entre la separación que existe entre cada canal del conjunto de canales, se localiza un panel de iluminación conformado por una pluralidad de diodos emisores de luz, de longitud de onda definida así como de amplio espectro incluyendo UV y NIR; donde cada panel de iluminación es controlado de manera individual mediante un controlador con el cual se puede manipular la longitud de onda del sistema de iluminación, la intensidad y el tiempo de encendido y apagado del mismo, el cual se conecta operativamente a una fuente de poder que alimenta de energía eléctrica a la bomba de alimentación que alimenta medio de cultivo y a la bomba de recirculación que permite la reincorporación del medio de cultivo que sale del tanque sedimentador a la entrada de medio de cultivo al conjunto de canales, y a la bomba de purga que recupera la biomasa sedimentada; Aunadamente los sensores de dióxido de carbono y oxigeno están conectados a un registrador de datos.

De manera particular cada canal del conjunto de canales presenta en su interior, distribuidos longitudinal y alternadamente una pluralidad de deflectores para generar turbulencia.

Un conjunto de canales tubulares (9) colocados de manera secuencial y en paralelo, interconectados entre ellos por su extremo superior; dicho conjunto de canales tubulares (9) exhiben: - un puerto de entrada localizado en el extremo superior del primer canal, por el cual se conecta mediante tubería un reservorio de medio de cultivo (1) que mediante una bomba de alimentación(4a) conduce de manera regulada medio de cultivo al interior del conjunto de canales; -un puerto de salida localizado en el extremo inferior del último canal, el cual se conecta mediante tubería a un sedimentador en continuo (11) que presenta un primer y segundo conductos de salida, donde el primer conducto de salida, se localiza en el extremo superior y se conecta mediante tubería (14), a la tubería de entrada de medio de cultivo; y el segundo conducto, localizado en el extremo inferior, se conecta mediante tubería (14) a una bomba de purga (4b) y un conducto de tubos conduce el producto recuperado hacia un reservorio de biomasa (13); adjuntamente, cada canal del conjunto de canales tubulares presenta cerrando su extremo superior un dispositivo de membranas (15), permeables a oxigeno, particularmente estas membranas son intercambiables y su función es recuperar el oxigeno mediante un sistema de tuberías y almacenarlo en un reservorio de oxigeno intercambiable (12); este reservorio cuenta con un sensor de oxigeno (8) con el que se monitorea de manera continua la concentración de oxigeno; y eventualmente es removido y sustituido por otro con características semejantes.

Típicamente en el interior del extremo inferior de cada uno de los canales, se presenta un dispersor (10), empacado con vidrio molido con un tamaño de partícula en el rango de entre 0.5 mm a 2 mm; a los cuales se conecta mediante tubería un tanque de alimentación de bióxido de carbono (7) cuyo flujo de ingreso es regulado por una válvula (16); y a continuación, entre la separación que existe entre cada canal del conjunto de canales, se localiza un panel de iluminación (5) conformado por una pluralidad de diodos emisores de luz, de longitud de onda definida así como de amplio espectro incluyendo UV y NIR. Particularmente los LED's opcionalmente tienen la misma o diferente longitud de onda y están separados entre ellos de manera equidistante.

Cada canal de iluminación es controlado de manera individual mediante un controlador (2) con el cual se puede manipular la longitud de onda del sistema de iluminación, la intensidad y el tiempo de encendido y apagado de cada LED. Los LEDS están distribuidos verticalmente separados cada uno con 1 cm de distrancia a lo largo de la altura del bioreactor. El controlador (2) se conecta operativamente a una fuente de poder (4) que alimenta de energía eléctrica a la bomba de alimentación que alimenta medio de cultivo y a la bomba de recirculación (4c) que permite la reincoporación del medio de cultivo que sale del tanque sedimentador a la entrada de medio de cultivo al conjunto de canales, y a la bomba de purga que recupera la biomasa sedimentada; Aunadamente los sensores de dióxido de carbono (6) y oxigeno (8) están conectados a un registrador de datos.

El método para el cultivo continuo de microorganismos fotosintéticos en el fotobiorreactor descrito anteriormente, comprende las etapas de: a) Inocular un medio de cultivo con el microorganismo deseado, b) Suministrar de manera controlada medio de cultivo inoculado desde el reservorio de medio de cultivo al puerto de entrada del conjunto de canales, c) Incidir la luz emitida por los diodos emisores de luz de cada panel de iluminación en uno de los canales, d) Alimentar por la parte inferior de cada canal, un flujo determinado de bióxido de carbono que servirá como fuente de carbono para el crecimiento de los microorganismos fotosintéticos; e) Capturar el oxigeno producido en el interior de cada canal como subproducto del metabolismo del crecimiento de los microorganismos fotosintéticos; f) Canalizar el medio de cultivo gastado y biomasa de microorganismos fotosintéticos en el sedimentador continuo; g) Recuperar la biomasa de microorganismos fotosintéticos en un reservorio de biomasa; h) Recircular a un flujo determinado el medio de cultivo gastado desde el sedimentador continuo hasta el flujo de entrada de medio de cultivo fresco.

Cabe señalar que en una modalidad de realización, las etapas e) y f) se realizan en paralelo.

Con el fotobioreactor aquí propuesto se favorece el máximo el aprovechamiento del los gases y el uso eficiente de luz En un ejemplo de realización preferida, un fotobioreactor para el cultivo continuo de microorganismos fotosintéticos mediante iluminación controlada es implementado como se describió anteriormente, teniendo de manera particular que: Cada panel de luz fue colocado a 20 cm de distancia entre cada canal.

La longitud de onda de la pluralidad de LEDS fue controlada a 430 nm La alimentación de bióxido de carbono fue de 7 % (peso/peso) a un flujo de 1.5 L/min en cada uno de los dispersores de vidrio molido dentro de los compartimientos del fotobiorreactor.

Los flujos de recirculación de medio de cultivo, a la salida del sedimentador, y de alimentación de medio de cultivo al fotobiorreactor fueron establecidos de acuerdo a la tasa de crecimiento específica del microorganismo cultivado.

El microorganismo inoculado para su cultivo fue un consorcio de algas Chlorella, Lyngbia y Leptolyngbia.

El método para el cultivo continuo de microorganismos fotosintéticos en el fotobiorreactor descrito anteriormente, comprende las etapas de: a. Inocular un medio de cultivo con el microorganismo deseado, en el reservorio de medio de cultivo, en este ejemplo se inocularon un consorcio de algas Chlorella, Lyngbia y Leptolyngbia al 10% v/v. b. Suministrar de manera controlada medio de cultivo inoculado desde el reservorio de medio de cultivo al puerto de entrada del conjunto de canales; para lo cual, se activó la bomba de alimentación para llenar los canales tubulares, después de haberlo hecho se desactivó la bomba de alimentación. a) Incidir la luz emitida por los diodos emisores de luz de cada panel de iluminación en uno de los canales, se colocó un panel de iluminación a 20 cm de cada canal tubular y la longitud de onda de estos fue ajustada, a través del controlador a 430 nm en base a estudios anteriores en donde se determinó que esta es la longitud de onda óptima para este consorcio. b) Alimentar por la parte inferior de cada canal, un flujo determinado de bióxido de carbono que servirá como fuente de carbono para el crecimiento de los microorganismos fotosintéticos. La válvula que permite el acceso del tanque de alimentación de dióxido de carbono fue abierta y la alimentación de bióxido de carbono fue de 7 % (p/p) a 0.68 vvm en cada uno de los dispersores dentro de los canales tubulares. c) Capturar el oxigeno producido en el interior de cada canal como subproducto del metabolismo del crecimiento de los microorganismos fotosintéticos; esto se realizó durante todo el experimento, los datos recolectados relativos a la concentración de oxigeno detectados por el sensor se enviaron al registrador de datos d) Canalizar el medio de cultivo gastado y biomasa de microorganismos fotosintéticos en el sedimentador continuo; después de 8 días de haber comenzado la prueba el flujo de la bomba de alimentación se fijo para cumplir una tasa de dilución de 0.0295 h"1 y de esta manera obtener una máxima concentración del consorcio aproximada de 0.96 g/L. e) Recuperar la biomasa de microorganismos fotosintéticos en un reservorio de biomasa; mediante la activación de la bomba de recirculación a una tasa de dilución de 0.0295 h" y la bomba de purga que llevó la biomasa del sedimentador continuo al reservorio de biomasa de forma continua. f) Recircular a un flujo determinado el medio de cultivo gastado desde el sedimentador continuo hasta el flujo de entrada de medio de cultivo fresco.

Cabe señalar que la realización, las etapas e) y f) se realizaron en paralelo.

Este sistema permitirá la producción continua de biomasa de microorganismos fotosinteticos. Esta biomasa puede contener diferentes metabolitos, en función de las condiciones a las que se someta como longitud de onda, que pueden ser procesados posteriormente para su uso en el área alimenticia, cosmética, en acuacultura y para la producción de biocombustibles.

Claims (14)

1. REIVINDICACIONES 1. Un sistema de producción continua de microorganismos fotosintéticos mediante iluminación controlada caracterizado porque comprende: Un conjunto de canales tubulares colocados de manera vertical, secuencial y en paralelo, interconectados entre ellos por su extremo superior; dicho conjunto de canales exhiben: - un puerto de entrada localizado en el extremo superior del primer canal, por el cual se conecta mediante tubería un reservorio de medio de cultivo que mediante una bomba de alimentación conduce de manera regulada medio de cultivo al interior del conjunto de canales; -un puerto de salida localizado en el extremo inferior del último canal, el cual se conecta mediante tubería a un sedimentador en continuo que presenta un primer y segundo conductos de salida, donde el primer conducto de salida, se localiza en el extremo superior y se conecta mediante tubería, a la tubería de entrada de medio de cultivo por medio de una bomba de recirculación con la cual se regula el flujo de entrada al conjunto de canales; y el segundo conducto, localizado en el extremo inferior, se conecta mediante tubería a una bomba de purga y un conducto de tubería conduce el producto recuperado hacia un reservorio de biomasa; adjuntamente, entre las interconexiones se encuentra localizado un conjunto de sensores de dióxido de carbono, y cada canal del conjunto de canales tubulares presenta cerrando su extremo superior un dispositivo de membranas, permeables a oxigeno, para recuperar el oxigeno mediante un sistema de tuberías que convergen en un conducto hacia un reservorio intercambiable de oxigeno donde se almacena; este reservorio cuenta con un sensor de oxigeno con el que se monitorea de manera continua su concentración; En el interior del conjunto de canales tubulares cada canal en su extremo inferior, presenta un dispersor, los cuales se conectan mediante tubería a un tanque de alimentación de dióxido de carbono cuyo flujo de ingreso es regulado por una válvula; y a continuación, entre la separación que existe entre cada canal del conjunto de canales, se localiza un panel de iluminación conformado por una pluralidad de diodos emisores de luz, de longitud de onda definida así como de amplio espectro incluyendo UV y NIR; donde cada panel de iluminación es controlado de manera individual mediante un controlador con el cual se puede manipular la longitud de onda del sistema de iluminación, la intensidad y el tiempo de encendido y apagado del mismo, el cual se conecta operativamente a una fuente de poder que alimenta de energía eléctrica a la bomba de alimentación que alimenta medio de cultivo y a la bomba de recirculación que permite la reincoporación del medio de cultivo que sale del tanque sedimentador a la entrada de medio de cultivo al conjunto de canales, y a la bomba de purga que recupera la biomasa sedimentada; Aunadamente los sensores de dióxido de carbono y oxigeno están conectados a un registrador de datos. El sistema de producción continua de microorganismos fotosintéticos mediante iluminación controlada de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque cada canal del conjunto de canales presenta en su interior, distribuidos longitudinal y alternadamente una pluralidad de deflectores para generar turbulencia. El sistema de producción continua de microorganismos fotosintéticos mediante iluminación controlada de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el conjunto de canales es de un material transparente para permitir el paso de luz. El sistema de producción continua de microorganismos fotosintéticos mediante iluminación controlada de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el conjunto de canales es preferentementede policarbonato para protección de luz UV. El sistema de producción continua de microorganismos fotosintéticos mediante iluminación controlada r de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque los dispersores están empacados con vidrio molido. 6. El sistema de producción continua de microorganismos fotosintéticos mediante iluminación controlada de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el vidrio molido presenta un tamaño de partícula en el rango de entre 0.5 mm a 2 mm. 7. El sistema de producción continua de microorganismos fotosintéticos mediante iluminación controlada de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo de membranas permeables a oxigeno son intercambiables. 8. El sistema de producción continua de microorganismos fotosintéticos mediante iluminación controlada de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la pluralidad de diodos emisores de luz tienen una misma longitud de onda. 9. El fotobioreactor de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la pluralidad de diodos emisores de luz tienen diferente longitud de onda. 10. El fotobioreactor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la pluralidad de diodos emisores de luz presentan una separación equidistante entre ellos. 1 1. El fotobioreactor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el reservorio de oxigeno es removible. 12. Un método para el cultivo continuo de microorganismos fotosintéticos en el fotobiorreactor descrito en las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque comprende las etapas de: a. Inocular un medio de cultivo con el microorganismo deseado, b. Suministrar de manera controlada medio de cultivo inoculado desde el reservorio de medio de cultivo al puerto de entrada del conjunto de canales, c. Incidir la luz emitida por los diodos emisores de luz de cada panel de iluminación en uno de los canales, d. Alimentar por la parte inferior de cada canal, un flujo determinado de bióxido de carbono que servirá como fuente de carbono para el crecimiento de los microorganismos fotosintéticos; e. Capturar el oxigeno producido en el interior de cada canal como subproducto del metabolismo del crecimiento de los microorganismos fotosintéticos; f. Canalizar el medio de cultivo gastado y biomasa de microorganismos fotosintéticos en el sedimentador continuo; g. Recuperar la biomasa de microorganismos fotosintéticos en un reservorio de biomasa; h. Recircular a un flujo determinado el medio de cultivo gastado desde el sedimentador continuo hasta el flujo de entrada de medio de cultivo fresco. 13. El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque las etapas e) y f) se realizan en paralelo. 14. El método de control del bioreactor descrito en las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque comprende las etapas: -Fijar en el controlador, la longitud de onda, frecuencia de encendido/apagado del conjunto de paneles de iluminación.