MX2014000193A - Sistema para la obtencion de biomasa. - Google Patents
Sistema para la obtencion de biomasa.Info
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Abstract
La presente invención consiste en un sistema de obtención de biomasa de microorganismos fotosintéticos, que incluye un fotobioreactor que comprende un panel transparente formado de dos láminas transparentes con una separación entre ellas, con una abertura superior y una abertura inferior y con subdivisiones paralelas transparentes formando un panel de celdas transparentes, dispuesto de manera vertical, en donde cada celda transparente tiene una abertura superior y un abertura inferior; una cámara de recirculación inferior en comunicación fluida bajo dicha abertura inferior del panel transparente; una cámara de recirculación superior en comunicación fluida sobre dicha abertura superior del panel transparente; un tubo de distribución de gas dispuesto externamente en el borde inferior de dicho panel transparente; en donde dicho tubo de distribución de gas comprende inyectores de gas dispuesto en comunicación fluida con el interior de una pluralidad de dichas celdas transparentes; y una estructura de soporte que soporta el panel transparente, la cámara de recirculación inferior, la cámara de recirculación superior y el tubo de distribución de aire.
Description
SISTEMA PARA LA OBTENCIÓN DE BIOMASA
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención está relacionada con la industria biotecnologica, y en particular con un sistema que incluye un fotobioreactor de obtención de biomasa de microorganismos fotosintetizadores.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El estudio de cultivo de microorganismos define condiciones óptimas para la obtención exitosa de biomasa, como por ejemplo, pH, viscosidad, Temperatura, tipo de turbulencia o agitación para optimizar los tiempos de residencia y mezcla de un microorganismo en un reactor con recirculación del medio de cultivo. Según la concentración de biomasa y la intensidad de radiación, se suele decir que la luz debe penetrar un 10% del espesor de un reactor para una concentración óptima de biomasa.
En la actualidad son conocidos diferentes fotobioreactores para la producción de biomasa que utilizan diversas fuentes de luz. En el estado del arte se encuentra un fotobioreactor descrito en la solicitud internacional PCT publicada como WO2005/006838, de título "Fotobioreactor de Panel Plano". Este documento describe un fotobioreactor para el cultivo de algas que comprende un elemento desechable para contener el medio de cultivo, un componente estructural en forma de jaula para soportar el elemento
desechable y un sistema de aireación. El elemento desechable es traslúcido o transparente y preferentemente consiste en una bolsa plástica; el componente estructural forma es un enrejado de alambre que sostiene el elemento desechable formando un panel plano, y el sistema de aireación comprende un tubo de aireación en el fondo de dicha bolsa plástica. Adicionalmente, se menciona que dicho componente estructural debe ser suficientemente estable para soportar la presión del líquido del medio de cultivo, la aireación y accesorios de un intercambiador de calor, y debe permitir que suficiente luz entre a dicho medio de cultivo para el fotocultivo del alga. Dicho intercambiador de calor comprende tuberías presurizadas en contacto con el medio de cultivo con un líquido calefactor o un líquido de enfriamiento. Se observa que la solución propuesta en este documento implica un ensamble complejo de un enrejado para soportar un elemento flexible y forzar a guardar una forma plana y vertical, implica un circuito de recirculación para el intercambiador de calor que demanda un gasto energético adicional y su sistema de aireación mediante un tubo de distribución dentro de la bolsa plástica contenida por dicho enrejado el cual no permite optimizar o controlar la agitación generada en el medio de cultivo, pudiéndose generar excesiva turbulencia en ciertas zonas y falta de agitación en otras zonas, con la consecuente aglomeración y precipitación de los microorganismos en la bolsa plástica donde se encuentra el medio de cultivo.
También se conoce la solicitud de patente estadounidense publicada
como US2010/0323436 que describe un fotobioreactor para un cultivo de micro-alga en gran escala. Dicho fotobioreactor incluye una pluralidad de ensambles de superficies de fuentes de luz con elementos de diodos emisores de luz (LED), elementos de diodos orgánicos emisores de luz (OLED) o una lámina de LED como fuente lumínica. Los ensambles de superficie de fuente de luz tiene forma de panel o cilindrica, y están instalado en intervalos predeterminados en el espacio interior de un tanque de reacción con forma de cubo o cilindrica y emite luz para el cultivo de microorganismos fotosintetizadores. Adicionalmente, estos ensambles de superficies de fuente de luz están dispuestos paralelamente y sirven de división del espacio interior del tanque de reacción e incrementa el recorrido de gas. La solución propuesta en este documento implica un gasto energético importante para la generación de luz mediante las superficies lumínicas incluidas dentro de los reactores. En efecto, la solución descrita en dicho documento está enfocada en solucionar una limitante espacial de manera que al proveer una fuente de luz interna como partición del espacio interno de los reactores, se pueden apilar varios reactores juntos y aumentar la producción de biomasa por superficie de terreno utilizada. No obstante esta solución a una limitante espacial implica un alto consumo energético y costo de operación, por lo cual en un sistema abierto con un entorno sin limitación espacial resulta muy ineficiente comparado con un fotobioreactor que utilice luz natural.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
PROBLEMA TÉCNICO
La presente invención aborda los problemas técnicos del arte previo aún no resueltos, tales como eficiencia energética para la factibilidad económica a gran escala de un sistema de obtención de biomasa de microorganismo fotosintetizadores a base de un fotobioreactor que cumpla con una óptima agitación interna, óptimo recorrido de luz y optimización de la producción de biomasa por superficie de terreno utilizada.
SOLUCIÓN TÉCNICA
Para solucionar los problemas técnicos señalados, se presenta un sistema de obtención de biomasa de microorganismos fotosintetizadores a base de un fotobioreactor que comprende un panel transparente formado de dos láminas transparentes con una separación entre ellas, con una transparencia superior al 90%, y con subdivisión de celdas expuestas a la luz natural junto con una inyección de gas dentro de una pluralidad de celdas para generar micro-vórtices, permitiendo obtener condiciones óptimas de luz y agitación para el crecimiento de cultivo logrando una alta eficiencia energética y factibilidad económica.
La presente invención consiste en un sistema de obtención de biomasa de microorganismos fotosintéticos, que incluye un fotobioreactor que comprende un panel transparente formado de dos láminas transparentes
con una separación entre ellas, con una transparencia superior al 90%, con una abertura superior y una abertura inferior, con subdivisiones paralelas transparentes, formando un panel de celdas transparentes dispuesto de manera vertical, en donde cada celda transparente tiene una abertura superior y un abertura inferior; una cámara de recirculación inferior en comunicación fluida bajo dicha abertura inferior del panel transparente; una cámara de recirculación superior en comunicación fluida sobre dicha abertura superior del panel transparente; un tubo de distribución de gas dispuesto externamente en el borde inferior de dicho panel de celdas; en donde dicho tubo de distribución de gas comprende inyectores de gas dispuesto en comunicación fluida con el interior de una pluralidad de dichas celdas transparentes; y una estructura de soporte que soporta el panel de celda, la cámara de recirculación inferior, la cámara de recirculación superior y el tubo de distribución de aire.
Adicionalmente, el tubo de distribución de aire y la cámara de recolección, cuentan con una conexión de entrada y otra conexión de salida, de manera que una pluralidad de fotobioreactores de acuerdo a la presente invención pueden conectarse en paralelo formando un sistema de obtención de biomasa.
VENTAJAS TÉCNICAS
La presente invención permite un mayor aprovechamiento del suelo para la producción de biomasa, también permite un aumento en la eficiencia
energética suficiente para permitir la producción de biomasa.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La figura 1 ilustra un diagrama del sistema de la presente invención
La figura 2 ilustra esquemáticamente una vista en perspectiva del sistema de la presente invención.
La figura 3 ilustra esquemáticamente una vista lateral del sistema de la presente invención.
La figura 4 ilustra una vista frontal de un panel transparente del fotobioreactor de acuerdo a la presente invención.
La figura 5 ilustra una vista lateral de un panel transparente del fotobioreactor de acuerdo a la presente invención.
La figura 6 ilustra una vista frontal del fotobioreactor de acuerdo a la presente invención.
La figura 7 ilustra una vista en perspectiva de un tubo de distribución del fotobioreactor de acuerdo a la presente invención.
La figura 8 ilustra una vista lateral de un conjunto de fotobioreactores de acuerdo a la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención consiste en un sistema de obtención de biomasa de microorganismos fotosintetizadores que incluye un fotobioreactor
de tipo batch alimentado que logra una mayor eficiencia energética. La presente invención obtiene una mayor eficiencia energética ya que utiliza luz natural y el control de la temperatura del medio de cultivo se realiza mediante un intercambio de calor con el entorno.
Como puede apreciarse en las figuras 1 a 8, el sistema de obtención de biomasa de microorganismos fotosintetizadores de la presente invención comprende:
un conjunto de inyección de gas que comprende:
una pluralidad de cañerías de distribución (30),
un tanque de aire a presión (31 ) conectado a dichas cañerías de distribución de gas (30),
una entrada de gas (32), como por ejemplo C02, que se conecta a dichas cañerías de distribución de gas (30),
una pluralidad de válvulas de control de paso (no ilustrada en las figuras) a las salidas de dichas cañerías de distribución de gas (30),
un estanque de agua dulce, salobre ó de mar (10) que comprende: una entrada de agua (12), y
una salida de agua (11 ) conectada a la entrada de una bomba para agua (13),
dicha bomba para agua (13);
un filtro (14) conectado a la salida de dicha bomba para agua (13); un conjunto de suministro de nutriente que comprende:
un estanque de suministro (20) que comprende una entrada de nutrientes (23) una entrada de agua (22) conectada a dicho filtro (14) que recibe agua filtrada desde el estanque de agua (10) y una salida de nutrientes (21 ) conectada a la entrada de una bomba de nutriente (24),
una fuente de nutriente A y a una fuente de nutriente B conectadas a dicha entrada de nutriente (23),
dicha bomba de nutriente (24),
una pluralidad de cañería de distribución de nutriente (25) que se conecta a la salida de dicha bomba de nutrientes (24),
una primera válvula (26) para un primer fotobioreactor de inoculo (41),
una segunda válvula (27) para un segundo fotobioreactor de inoculo (43), y
una pluralidad de válvulas de suministro (no ilustradas en las figuras) para una pluralidad de fotobioreactores de cultivo (50);
al menos dicho primer fotobioreactor para inoculo (41 ) de columna vertical y de tipo burbujeante con un diámetro inferior a 50 mm, que comprende:
una entrada de suministro (41a) conectada a dicha primera válvula (26),
una entrada de inyección de gas (41b) conectada a dichas cañerías de distribución de gas (30) a través de una de dicha pluralidad de
válvulas de control de paso,
una salida de recolección de inoculo (41c) que se descarga a un primer tanque de recolección de inoculo (42), y
dicho primer tanque de recolección de inoculo (42); al menos dicho segundo fotobioreactor para inóculo (43) de columna vertical y de tipo burbujeante con un diámetro inferior a 100 mm, que comprende:
una entrada de suministro (43a) conectada a dicha segunda válvula (27),
una entrada de inyección de gas (43b) conectada a dichas cañerías de distribución de gas (30) a través de una de dicha pluralidad de válvulas de control de paso,
una salida de recolección de inóculo (43c) que se descarga a un segundo tanque de recolección de inóculo (44), y
dicho segundo tanque de recolección de inóculo (44);
una pluralidad de fotobioreactores de cultivo (50) conectados en paralelo, a dicho conjunto de suministro de nutriente y a dicho conjunto de inyección de gas, en donde cada uno comprende:
un panel transparente (500), formado de dos láminas transparentes (505) con una separación entre ellas, y dispuesto de manera vertical con subdivisiones paralelas transparentes (501) que definen celdas transparentes (502), en donde cada celda transparente (502) tiene una
abertura superior (503) y un abertura inferior (504), en donde el espesor de dicho panel transparente (500) es inferior a 2 cm,
una cámara de recirculación inferior (510) en comunicación fluida bajo dichas aberturas inferiores (504) de las celdas transparentes (502);
una cámara de recirculación superior (520) en comunicación fluida sobre dichas aberturas superiores (503) de las celdas transparentes (502);
un tubo de distribución de gas (530) dispuesto externamente en el borde inferior de dicho panel transparente (500); en donde dicha cámara de distribución de gas (530) comprende inyectores de gas (531 ) dispuesto en comunicación fluida con el interior de una pluralidad de dichas celdas transparentes (502); y
una estructura de soporte que soporta el panel transparente (500), la cámara de recirculación inferior (510), la cámara de recirculación superior (520) y el tubo de distribución de aire (530); y
una pluralidad de tanques de recolección (60), cada uno conectado a un fotobioreactor (50).
De acuerdo a otro aspecto de la invención, se provee un fotobioreactor de cultivo (50) para la obtención de biomasa de microorganismos fotosintetizadores que comprende:
un panel transparente (500) formado de dos láminas transparentes
(505) con una separación entre ellas, y dispuesto de manera vertical con subdivisiones paralelas transparentes (501 ) que definen celdas transparentes
(502) , en donde cada celda translúcida (502) tiene una abertura superior
(503) y un abertura inferior (504), en donde el espesor de dicho panel transparente es inferior a 2 cm;
una cámara de recirculación inferior (510) en comunicación fluida bajo dichas aberturas inferiores (504) de las celdas transparentes (502);
una cámara de recirculación superior (520) en comunicación fluida sobre dichas aberturas superiores (503) de las celdas transparentes (502); un tubo de distribución de gas (530), que puede apreciarse en la figura 7, dispuesto externamente en el borde inferior de dicho panel transparente (500); en donde dicho tubo de distribución de gas (530) comprende inyectores de gas (531 ) dispuesto en comunicación fluida con el interior de una pluralidad de dichas celdas transparentes (502); y
una estructura de soporte, visible en la figura 8, que soporta el panel transparente (500), la cámara de recirculación inferior (510), la cámara de recirculación superior (520) y el tubo de distribución de aire (530)
En particular, de acuerdo a un ensamble preferido de la invención, el espesor de dicho panel transparente (500) es inferior a ,2 cm.
De acuerdo a un aspecto preferente de la invención, dicho tubo de distribución de gas (530) comprende inyectores de gas (531 ) dispuestos alternadamente en una de cada dos celdas transparentes (502) colindantes y
en comunicación fluida con el interior de dichas celdas transparentes (502).
De acuerdo a otro aspecto preferente de la invención, dicho tubo de distribución de gas (530) comprende inyectores de gas (531 ) dispuestos en cada celda transparente (502) y en comunicación fluida con el interior de dichas celdas transparente (502).
De acuerdo a un aspecto de la invención, dicho panel transparente (500) es de uno de los materiales siguiente: acrílico, policarbonato o vidrio.
Adicionalmente, la cámara de recirculación inferior (510) comprende una conexión fluida de entrada (511) y otra conexión fluida de salida (512), de manera que una pluralidad de fotobioreactores (50) de acuerdo a la presente invención puede conectarse en paralelo o en serie formando un sistema de obtención de biomasa de acuerdo a la presente invención.
APLICACIÓN INDUSTRIAL
Con el sistema y al fotobiorreactor de obtención de biomasa de microorganismos fotosintetizadores de la presente invención, se pueden obtener productividades de 80 a 160 g/m2 por día sin iluminación nocturna artificial. Adicionalmente, se puede proveer una iluminación nocturna que permite obtener una productividad más alta de 160 a 250 g/m2 por día.
El sistema de la presente invención permite un aprovechamiento del 75% del espacio, es decir que con un área de 10.000 m2 (1 hectárea), se consideran 7.500 m2 como área productiva destinando los restantes 2500 m2 a otras construcciones necesarias como edificios para secado, laboratorios,
caminos para peatones, etc. Lo que resulta en que para un terreno de 10.000 m2 sin iluminación nocturna, se obtienen entre 600 a 1.200 kg/día de biomasa con el sistema de la presente invención.
La biomasa obtenida a partir del sistema de la presente invención, permite obtener una serie de productos valiosos, como por ejemplo se puede considerar un contenido en aceite de entre un 20 a 30 % del peso de la biomasa, el cual es convertido a Biodiesel con un rendimiento de aproximadamente 96,5%.; por lo tanto para un terreno de 10.000m2 se pueden obtener entre 115,8 a 173,7 kg/día de biodiesel.
De dicha biomasa obtenida, se puede estimar que tiene un contenido (en masa) de 0,5% en carotenoides, por lo que el terreno de 10.000 m2 permite obtener 3 a 6 kg/día de carotenoides con el sistema de la presente invención.
De esta misma biomasa obtenida, se puede estimar una producción de ácidos grasos, como por ejemplo el omega 3, con una producción aproximada de 90 a 360 kg/día de omega 3 para un terreno de 10.000m2 con el sistema de la presente invención. También se puede estimar una producción de 20,4 a 30,6 kg/día de glicerol en un terreno de 10.000m2 con el sistema de la presente invención.
Para la producción de biogás, se debe estimar la producción de materia seca, es decir la diferencia entre el total de biomasa producida y el aceite obtenido de esta producción de biomasa, por lo que se estima una
producción de materia seca entre 40 a 70 % del peso de la biomasa obtenida, lo que permite una producción entre 120.000 a 420.000 litros de biogás en un terreno de 10.000m2 con el sistema de la presente invención.
Claims (20)
1. Un sistema configurado para facilitar la producción de biomasa a partir de microorganismos fotosintetizadores por medio de fotobiorreactores; el sistema comprende: una pluralidad de fotobiorreactores de cultivo configurados para estar en comunicación fluida con un suministro de gas por conexión en paralelo; el suministro de gas se configura para proporcionar gas a unidades individuales de los fotobiorreactores de cultivo, en donde un fotobiorreactor determinado comprende: un panel formado por dos láminas planas transparentes, separadas por divisiones verticales que definen celdas verticales entre las dos láminas; las celdas se abren en la parte superior y parte inferior a fin de que las celdas se encuentren en comunicación fluida en la parte superior y parte inferior del fotobiorreactor determinado; y una pluralidad de inyectores de gas configurados para introducir gas, a partir del suministro de gas, al fotobiorreactor determinado; las unidades individuales de los inyectores se disponen cerca de la parte inferior de algunas, pero no todas las celdas, de tal modo que (1 ) el fluido viaje hacia arriba dentro de una celda que tiene un inyector de gas dispuesto cerca de su parte inferior debido al gas que asciende a través de esa celda y (2) el fluido viaje hacia abajo dentro de una celda sin inyector de gas dispuesto cerca de su parte inferior.
2. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el panel tiene un espesor que es inferior a 2 centímetros.
3. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, en donde el panel tiene un espesor que es de aproximadamente 1.2 centímetros.
4. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , en donde las dos láminas planas transparentes son por lo menos 90% transparentes.
5. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , que además comprende uno o más tanques de recolección en comunicación fluida con el fotobiorreactor de cultivo determinado; un tanque de recolección determinado se configura para recibir y almacenar la biomasa producida en el fotobiorreactor de cultivo determinado.
6. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el gas comprende dióxido de carbono.
7. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , que además comprende un suministro de nutrientes configurado para proporcionar nutrientes a la pluralidad de fotobiorreactores de cultivo.
8. El sistema de conformidad con la reivindicación 7, en donde el suministro de nutrientes comprende un depósito de suministro configurado para recibir y almacenar nutrientes y agua.
9. El sistema de conformidad con la reivindicación 7, en donde el suministro de nutrientes comprende una diversidad de tuberías de distribución de nutrientes en comunicación fluida con la pluralidad de fotobiorreactores de cultivo por conexión en paralelo.
10. Un fotobiorreactor de cultivo configurado para facilitar la producción de biomasa a partir de microorganismos fotosintetizadores; el fotobiorreactor de cultivo comprende: un panel formado por dos láminas planas transparentes, separadas por divisiones verticales que definen celdas verticales entre las dos láminas; las celdas se abren en la parte superior y parte inferior a fin de que las celdas se encuentren en comunicación fluida en la parte superior y parte inferior del fotobiorreactor determinado; y una pluralidad de inyectores de gas configurados para introducir gas, a partir de un suministro de gas, al fotobiorreactor determinado; las unidades individuales de los inyectores se disponen cerca de la parte inferior de algunas, pero no todas las celdas, de tal modo que ( ) el fluido viaje hacia arriba dentro de una celda que tiene un inyector de gas dispuesto cerca de su parte inferior debido al gas que asciende a través de esa celda y (2) el fluido viaje hacia abajo dentro de una celda sin inyector de gas dispuesto cerca de su parte inferior.
11. El fotobiorreactor de cultivo de conformidad con la reivindicación 10, en donde el fotobiorreactor de cultivo se configura para estar entre una pluralidad de fotobiorreactores de cultivo en comunicación fluida con el suministro de gas por conexión en paralelo; el suministro de gas se configura para proporcionar gas a unidades individuales de los fotobiorreactores de cultivo.
12. El fotobiorreactor de cultivo de conformidad con la reivindicación 10, en donde el panel tiene un espesor que es inferior a 2 centímetros.
13. El fotobiorreactor de cultivo de conformidad con la reivindicación 12, en donde el panel tiene un espesor que es de aproximadamente 1.2 centímetros.
14. El fotobiorreactor de cultivo de conformidad con la reivindicación 10, en donde las dos láminas planas transparentes son por lo menos 90% transparentes.
15. El fotobiorreactor de cultivo de conformidad con la reivindicación 10, en donde el fotobiorreactor de cultivo se configura para estar en comunicación fluida con uno o más tanques de recolección; un tanque de recolección determinado se configura para recibir y almacenar la biomasa producida en el fotobiorreactor de cultivo.
16. El fotobiorreactor de cultivo de conformidad con la reivindicación 10, en donde el gas comprende dióxido de carbono.
17. El fotobiorreactor de cultivo de conformidad con la reivindicación 10, en donde el fotobiorreactor de cultivo se configura para estar en comunicación fluida con un suministro de nutrientes; el suministro de nutrientes se configura para proporcionar nutrientes al fotobiorreactor de cultivo.
18. El fotobiorreactor de cultivo de conformidad con la reivindicación 17, en donde el suministro de nutrientes comprende un depósito de suministro configurado para recibir y almacenar nutrientes y agua.
19. El fotobiorreactor de cultivo de conformidad con la reivindicación 17, en donde el suministro de nutrientes comprende una tubería de distribución de nutrientes en comunicación fluida con el fotobiorreactor de cultivo.
20. Un método para producir biomasa a partir de microorganismos fotosintetizadores por medio de fotobiorreactores; el método comprende: incubar microorganismos en un cultivo en crecimiento dispuesto en un fotobiorreactor de cultivo que comprende: un panel formado por dos láminas planas transparentes, separadas por divisiones verticales que definen celdas verticales entre las dos láminas; las celdas se abren en la parte superior y parte inferior a fin de que las celdas se encuentren en comunicación fluida en la parte superior y parte inferior del fotobiorreactor determinado; y una pluralidad de inyectores de gas configurados para introducir gas, a partir de un suministro de gas, al fotobiorreactor determinado; las unidades individuales de los inyectores se disponen cerca de la parte inferior de algunas, pero no todas las celdas, de tal modo que (1) el fluido viaje hacia arriba dentro de una celda que tiene un inyector de gas dispuesto cerca de su parte inferior debido al gas que asciende a través de esa celda y (2) el fluido viaje hacia abajo dentro de una celda sin inyector de gas dispuesto cerca de su parte inferior.
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