MXPA99004624A - Biorreactor modificado - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a aparato biorreactor para el cultivo de materia viva en un medio líquido, caracterizado porque comprende una pluralidad de tubos conectados en un extremo a una sección de múltiple primario, y en sus otros extremos, a una sección de múltiple secundario, de modo que se pueda establecer un flujo de liquido que contenga dicha materia viva dentro de dichosmúltiples y tubos, en donde el flujo de medio líquido en dichos múltiples y/o tubos sea capaz de ser controlado por lo menos medios de inyección de gas en comunicación con la sección de múltiple primario, y por lo menos medios de inyección de gas en comunicación con la sección de múltiple secundario;dicha disposición provee un control más fino de las condiciones de flujo en los tubos que forman parte del biorreactor y de las condiciones ambientales para el cultivo de materia viva;la disposición puede tener una simplicidad de diseño relativa, lo cual permite reducir también el número total de tanques y/o de circuitos de control usualmente asociados con el aparato biorreactor de este tipo.

Description

BIORREACTOR MODIFICADO MEMORIA DESCRIPTIVA Esta invención se refiere a biorreactores para el cultivo comercial de microorganismos. En particular, la invención se refiere a mejoras en fotobiorreactores de tipo tubular. Los fotobiorreactores tubulares embobinados son conocidos, y un ejemplo de dicho fotobiorreactor, mediante el cual la presente invención encuentra aplicación, se describe en la patente de E.U.A. 5137828. Sin embargo, la presente invención no está limitada a la aplicación de esa forma precisa de fotobiorreactor tubular embobinado, dado que las modalidades de la presente invención tienen aplicación en otros biorreactores tubulares, sean embobinados, en línea recta, tortuosos o segmentados. Dichos reactores tortuosos se usan actualmente, por ejemplo, en Alemania e Israel. Los fotobiorreactores tubulares embobinados del tipo ilustrado en la patente de E.U.A. 5137828, están disponibles comercialmente bajo la marca comercial BIOCOIL. Será de ayuda para el lector que cuente con un conocimiento básico de dicho biorreactor, y en particular la modalidad de la figura 4 en dicha patente de E.U.A., en donde una pluralidad de segmentos tubulares embobinados está en comunicación de líquido mediante un par de múltiples generalmente rectos, identificados en la figura 4 con los números 57 y 56, respectivamente.

Los biorreactores tubulares embobinados segmentados de este tipo (que incorporan un par de múltiples que unen entre sí una pluralidad de segmentos embobinados individuales), son conocidos y están disponibles comercialmente a partir de los solicitantes de la presente. La presente invención ha sido planeada mediante una mejora en los biorreactores tubulares, la cual es particularmente efectiva en el cultivo de dicha materia viva tal como algas o bacterias debido a la baja tensión inducida por un sistema de elevación de gas. Se conoce una disposición de fotobiorreactor tubular embobinado que incorpora un múltiple recto, en donde el múltiple sirve para unir la parte superior de una bobina en comunicación de líquido con la parte inferior de la misma, y en donde dicho múltiple está sujeto a intensificación del flujo de inyección de gas. Dicho aparato se conoce como el fotobiorreactor BIOCOIL (marca comercial) de "elevación de aire individual". Los aparatos que incorporan un sistema de elevación de aire fueron planeados para el manejo de sistemas de algas específicos, en donde el bombeo es inadecuado por una u otra razón. Sin embargo, se ha encontrado que los fotobiorreactores con múltiple de elevación de aire individual son relativamente ineficientes en la separación de oxígeno de la solución circulante, y que el control de circulación de líquido dentro de cada segmento embobinado individual del fotobiorreactor es particularmente limitado.

De conformidad con la presente invención, se provee un aparato biorreactor para el cultivo de materia viva en un medio líquido, que comprende una pluralidad de tubos conectados en un extremo a una sección de múltiple primario, y en sus otros extremos, a una sección de múltiple secundario, de modo que se pueda establecer un flujo de líquido que contenga dicha materia viva dentro de dichos múltiples y tubos, en donde el flujo de medio líquido en dichos múltiples y/o dichos tubos sea capaz de ser controlado por por lo menos medios de inyección de gas en comunicación con la sección de múltiple primario, y por lo menos medios de inyección de gas en comunicación con la sección de múltiple secundario. Los tubos están dispuestos preferiblemente de modo que el ángulo de hélice permita que los productos gaseosos sean llevados fuera de las bobinas. En lugar de que una bobina esté arriba de la otra, las bobinas pueden estar en lotes agrupados. Las características preferidas del aparato se encontrarán también en las subreivindicaciones. Se proveen también métodos para el cultivo de materia viva, que incluyen el uso del presente aparato. En una modalidad preferida aplicable a un biorreactor tubular embobinado, se provee también un aparato biorreactor que incluye por lo menos dos bobinas generalmente tubulares enrolladas helicoidalmente, para dar un ángulo de hélice que permita que los productos gaseosos sean expulsados de las bobinas localizadas una arriba de la otra o en lotes agrupados alrededor de una estructura de soporte erguida, las bobinas teniendo entradas para recibir un flujo de medio líquido dentro del cual biomasa u otro material vivo puede ser cultivado, y una salida para dicho medio, las entradas de las bobinas dispuestas en comunicación de líquido con un múltiple primario, y las salidas de las mismas dispuestas en comunicación de líquido con un múltiple secundario, dichos múltiples estando en comunicación de líquido, con lo cual se puede proveer un flujo de medio líquido del múltiple primario al múltiple secundario, siendo provistos medios de control de flujo primarios para actuar sobre el medio líquido en o fluyendo desde el múltiple primario, y medios de control de flujo secundarios provistos para actuar sobre el medio líquido en o fluyendo en el múltiple secundario, los medios de control de flujo primarios y secundarios siendo ajustables, con lo cual el flujo de medio líquido a través de las bobinas se puede hacer variar ajustando cualquiera de dichos medios de control de flujo, o ambos. Las características ventajosas preferidas del presente aparato y su uso, se describirán ahora en las modalidades específicas siguientes. Para que la invención pueda ser apreciada más fácilmente y también pueda ser llevada a cabo más fácilmente por el experto en la técnica, las modalidades de la misma se describirán ahora únicamente a manera de ejemplo, con relación a los dibujos acompañantes, y en donde: La figura 1 es una representación esquemática de un aparato biorreactor de conformidad con la invención que usa dos entradas de gas separadamente controlables para intensificación de flujo, La figura 2 es una sección parcial aumentada de la figura 1 , que muestra más claramente los múltiples y las conexiones de tubo/múltiple, La figura 3 es una representación esquemática adicional de un reactor tubular en línea recta que usa el aparato biorreactor modificado, en donde los tubos pueden ser horizontales y sostenidos por una estructura externa o teniendo una inclinación ligera para mejorar la transferencia de productos gaseosos fuera de los tubos, y Las figuras 4 y 4a son otras representaciones esquemáticas de un reactor tubular en línea recta alternativo que usa el aparato biorreactor modificado, mostrando los tubos sostenidos por una estructura la cual puede estar o no inmediatamente adyacente. Como se muestra en las figuras 1 y 2, un fotobiorreactor embobinado se basa en una estructura de soporte generalmente cilindrica 13 alrededor de la cual bobinas individuales (no mostradas por separado) están enrolladas helicoidalmente y a través de las cuales se puede establecer un flujo de medio líquido. Se muestra una entrada 11 de una primera bobina tubular (más alta) conectada en comunicación de líquido con un múltiple primario 5. Debajo de dicha entrada 11 está una serie de entradas para otras bobinas, todas las cuales están conectadas similarmente a este múltiple primario 5 en comunicación de líquido. El múltiple primario 5 consiste esencialmente de un tubo generalmente hueco el cual se localiza generalmente vertical y preferiblemente vertical o casi vertical, asegurado si se requiere, a la estructura de soporte 13. Las salidas de las bobinas están conectadas similarmente en comunicación de líquido a un múltiple secundario 1 , siendo mostrada la salida 12 de la primera bobina en la parte superior de este múltiple secundario 1. En forma similar a la disposición de entradas, las salidas están localizadas también generalmente una arriba de la otra, todas estando en comunicación de líquido con dicho múltiple secundario 1. Un lote de material de abastecimiento para alimentación de medios líquidos está provisto desde una fuente 18, cuya alimentación comprende nutrientes esenciales para el crecimiento de las algas u otros microorganismos que serán cultivados dentro del aparato; el suministro conduce a un tanque 19 desde donde es bombeado por medio de una bomba 33 a lo largo de una línea de suministro 20 (monitoreada por el medidor de flujo 27) hasta un orificio de entrada 14 para la solución de medios sobre el soporte de múltiple 5 arriba del segmento embobinado más superior del fotobiorreactor. La entrada puede estar en otra posición. El líquido es suministrado entonces a todos los segmentos embobinados del aparato biorreactor por medio del múltiple primario 5 pasando hasta el múltiple secundario 1 (los cuales son en la naturaleza de tubos huecos generalmente rectos), y los cuales están unidos en esta modalidad por otros tres tubos de extensión tubulares. El tubo 4 conduce desde un segundo tanque colector 9 localizado en la parte superior de ese tubo de extensión 4, el tubo de extensión 4 estando unido por medio de una pieza de conexión 17 a un segundo tubo de extensión vertical 3, el cual conduce en un primer tanque colector 7, y desde el cual el tanque hace descender un tercer tubo de extensión 2 conectado en su extremo más inferior por la pieza de conexión 16 al múltiple secundario 1. Cualquier parte de los segmentos embobinados puede ser enfriada, si se requiere, mediante el uso de un suministro de agua de enfriamiento 31 la cual puede ser bombeada hacia o alrededor de la estructura de soporte 13, o el medio líquido que contiene al microorganismo cultivado puede ser enfriado a través de un enfriador en línea de un tipo que permita su fácil limpieza. La temperatura del medio líquido que fluye a través del biorreactor puede ser monitoreada por medio de un termómetro u otro monitor de temperatura 29, y la acidez/alcalinidad del medio líquido puede ser monitoreada por medio de un medidor de pH 30, cuya sonda se localiza en el segundo tanque colector 9. Tanto la temperatura como el pH pueden ser controlados por medio de un controlador de pH y de temperatura 28 el cual está unido a medios de suministro de agua de enfriamiento y de CO2 31. El control del pH se puede lograr alternativa o adicionalmente mediante la adición de un ácido o base adecuados. Esto se puede lograr en lugar de controlar el pH mediante la inyección de CO2, en el mismo punto de adición. El medio líquido que contenga al microorganismo cultivado, por ejemplo, algas, bacterias o materia viva similar, las cuales han sido inoculadas en el medio líquido, puede ser extraído en un punto conveniente, por ejemplo, del segundo tanque colector 9 por medio de una línea de derivación 21 que comunica con un tanque de producto 22, cuyos contenidos pueden ser transferidos por medio de una bomba 34 hacia un punto de salida de producto 23. En este punto, la materia viva cultivada se puede usar como está, se puede diluir o aislar del medio líquido, o se puede lavar, purificar o procesar adicionalmente de conformidad con los requerimientos. Se proveen medios 24, tales como medios de válvula, a los cuales están conectados dos suministros diferentes de medios gaseosos. Líneas de aire 26 y una línea de CO2 25 conducen en estos medios 24, y los flujos de gases pueden ser mon-toreados por medio de medidores de flujo F1A y F1B. Desde los medios 24, existe un punto de inyección de medios gaseosos 8, actuando como medios de control de flujo secundarios en el extremo inferior del tercer tubo de extensión 4. Una línea de aire separada provee un punto de inyección de medios gaseosos 6 actuando como medios de control de flujo primarios localizados en el primer tubo de extensión 2. Los puntos de inyección de gas están en la vecindad de la base de los tubos de extensión, y son capaces de suministrar, por ejemplo, aire y/o CO2 a regímenes de flujo variables en el medio líquido el cual está fluyendo dentro de los tubos de extensión respectivos 2 y 4. Así, los medios de control de flujo primarios 6 sirven para actuar sobre el medio líquido que fluye desde el múltiple secundario, y los medios de control de flujo secundarios 8 sirven para actuar sobre el medio líquido que fluye en el soporte de múltiple 4. La disposición y el funcionamiento de los múltiples primario y secundario interconectados se describen más particularmente en relación a la figura 2, en donde los tubos horizontales pueden ser igualmente aquellos de un reactor del tipo de cerca o en línea recta. El líquido entra en el múltiple secundario 1 mediante un número de conexiones 12 desde los tubos 10 a lo largo de su longitud, y fluye hacia abajo en su modo de operación. Un fluido gaseoso es inyectado en los medios de control de flujo 6 en la base del primer tubo de extensión 2, y fluye hacia arriba del tubo hasta el primer tanque colector 7, en donde el fluido gaseoso se separa del líquido. El diseño de estos tanques colectores 7, 9 es tal que pueden drenar completamente, y están construidos sin esquinas agudas para evitar las regiones de flujo reducido y para facilitar su limpieza, y funcionan también como un sistema de sifón de gas. Un beneficio adicional y una mejora única es que estos compartimientos y múltiples están dimensionadas típicamente para permitir la eliminación de más capacidad de almacenamiento en obscuridad, eliminando así la necesidad, y la complejidad, de un tanque de almacenamiento adicional, así como los costos de capital y de operación asociados. El líquido esencialmente separado del fluido gaseoso pasa debajo del segundo tubo de extensión 3, el cual es un miembro de conexión, y entra en la base del tubo 4, la cual forma parte del múltiple en forma de U invertida, en donde el mismo fluido gaseoso o fluidos gaseosos diferentes son suministrados a ese tubo mediante los medios de control de flujo secundarios 8. Un fluido gaseoso es inyectado en dicho tubo 4 en su base para fluir hacia arriba del tubo hasta el segundo tanque colector 9, en donde dicho fluido gaseoso se separa del líquido. El líquido esencialmente libre del fluido gaseoso pasa debajo del resto del múltiple primario 5, siendo un tubo vertical el cual tiene un número de . conexiones 11 que permiten que el líquido abandone simultáneamente este tubo del múltiple en varias de dichas conexiones. Las conexiones entre las entradas/salidas de los segmentos del tubo y ambos múltiples, pueden tener válvulas o carecer de las mismas. Típicamente, una mezcla de aire o de aire/C02 es soplada dentro de un "soporte" de fluido acuoso en el tubo respectivo, el cual tiene el efecto de reducir la densidad promedio del líquido en el "soporte", y la superficie superior se eleva para balancear la presión de entrada sobre la base del "soporte". El líquido ascendente se separa a un grado considerable del gas, y mediante esta disposición apropiada de tuberías, fluye en la parte superior de otro "soporte", debajo del cual fluye. La carga generada mediante este método en dos etapas de sifón gaseoso se usa entonces como la fuerza motriz para mover el líquido a través de todos los tubos 10 presentes en el biorreactor. Los tubos 10 requieren un flujo mínimo de solución para dar un mezclado adecuado. Los tanques colectores están en comunicación gaseosa en sus extremos superiores, y si se requiere, el tanque 9 está en comunicación gaseosa con un esterilizador de aire 32. Típicamente para agua en tubos lisos Reynolds números mayores de 2,600, se genera un flujo turbulento, adecuado para un mezclado bueno. Típicamente, la escala de flujos en estos tubos es 2 a 3 veces mayor que el que se requiere para lograr un flujo turbulento de agua (típicamente, esto sería de 25 cm por segundo en un tubo de 2.5 cm). Los flujos a través de cada segmento de bobina, si usan un biorreactor embobinado, no necesitan ser idénticos, pero preferiblemente están dentro de 20% en promedio.

La disposición de los tubos 10 (los cuales pueden ser segmentos de tubo embobinados) en relación a los múltiples, es tal que cada segmento tubular dentro del biorreactor se puede someter a una disminución de presión casi idéntica. Debido a que las dimensiones del tubo pueden ser y son preferiblemente iguales para cada segmento tubular, los flujos pueden ser y son preferiblemente en esencia idénticos dentro de cada uno de dichos segmentos. Sin embargo, una excepción es el segmento del fondo, en donde las consideraciones de instalación prefieren un diseño que dé un flujo ligeramente diferente del promedio debido a la disposición en línea. El diseño de múltiple de sifón de gas y las disposiciones en línea dan como resultado un sistema que no requiere de disposiciones medidoras de flujo individuales para cada segmento del tubo, eliminando así los costos de capital para estos componentes, y están diseñados para facilitar su limpieza. Las disposiciones de extracción y de alimentación de gas son tales que sólo preferiblemente gas filtrado entra a la unidad. Esta modificación particular de un biorreactor tubular es especialmente útil donde los flujos son grandes, los sifones están a gran altura, o se requiere más de una mezcla de gas. Se provee una disposición que ofrece la posibilidad, por ejemplo, de usar aire en la primera etapa 6 seguido por la segunda etapa 8, en la cual puede haber un gas de separación con una presión parcial de oxígeno reducida para promover la separación de oxígeno del líquido circulante.

Además, se pueden añadir otros gases benéficos, por ejemplo, CO2.

El aparato tiene la capacidad de usar gases completamente diferentes, o mezclas de gases en los medios de control de flujo primarios 6 y secundarios 8, a diferentes velocidades de flujo, y la capacidad mejorada de separar el oxígeno de los líquidos fluyentes oxigenados, lo cual da como resultado regímenes de crecimiento mejorados para las algas. La figura 3 muestra esquemáticamente una disposición alternativa basada aún en los principios de la figura 2, con lo cual en lugar de un número de tubos helicoidalmente embobinados como en la figura 1 y las modalidades del biorreactor embobinado 3, una pluralidad de tubos pueden estar fijos a las mismas conexiones 10, como se muestra en las figuras 1 y 2, pero dispuestos en una configuración espacial diferente, la cual permite aún la transferencia eficiente de los gases producidos de los tubos. Como se muestra, la disposición de tubo principal 10a está en forma de circuitos de pasador alimentados en un extremo desde un múltiple primario 5, y fluyendo hasta un múltiple secundario 1. Como alternativa, el tipo de fotobiorreactor tubular tortuoso se puede utilizar en donde los circuitos de pasador son remplazados por conexiones conocidas como "vueltas sencillas" en lugar de doblar o hacer girar los tubos reales. El aparato será igualmente efectivo en un fotobiorreactor de tipo tubular tortuoso. Los múltiples pueden servir a uno o más tubos horizontales. Las secciones nominalmente horizontales pueden estar también convenientemente dispuestas sobre una estructura para soporte.

La disposición es de un múltiple con sifón de aire doble o gemelo, teniendo el reactor tubular recto horizontal esencialmente los mismos números de referencia que en las figuras 1 y 2, y los tubos del fotobiorreactor generalmente horizontales estando conectados a secciones de múltiple 1 y 5. Las secciones de tubo nominalmente horizontales en realidad se elevan ligeramente en la dirección de flujo para facilitar la remoción de burbujas de gas que se producen durante la fotosíntesis, es decir, el cultivo de la materia viva bajo condiciones de iluminación natural o complementaria. Los tanques colectores y el diámetro de los múltiples/"soportes", se pueden proporcionar adecuadamente para eliminar las áreas de almacenamiento en obscuridad adicionales inconvenientes en los tanques. Las figuras 4 y 4a muestran una vista alternativa de un reactor tubular en línea recta en el cual el soporte se muestra no conectado al múltiple. Deben haber soportes a lo largo de la mayor parte de la longitud de los tubos para evitar la deformación, así como también puntos altos intermediarios que pudieran atenuar la remoción de oxígeno del sistema y reducir la eficacia de la fotosíntesis. Los postes verticales mostrados proveen soportes para la disposición tubular 10. Como se indica en la figura 4a, los tubos no necesitan ser continuos, dado que pueden ser conectados por manguitos internos o externos, tal como en esta disposición de tipo de "cerca" en particular.

En lugar de la estructura de tipo de "cerca" mostrada en la figura 4a, el componente de cerca puede comprender un par de postes de soporte erguidos interconectados por paneles estructurales.

Claims (11)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un aparato biorreactor para el cultivo de materia viva en un medio líquido, caracterizado porque comprende una pluralidad de tubos conectados en un extremo a una sección de múltiple primario, y en sus otros extremos, a una sección de múltiple secundario, de modo que se pueda establecer un flujo de líquido que contenga dicha materia viva dentro de dichos múltiples y tubos, en donde el flujo de medio líquido en dichos múltiples y/o dichos tubos sea capaz de ser controlado por por lo menos medios de inyección de gas en comunicación con la sección de múltiple primario, y por lo menos medios de inyección de gas en comunicación con la sección de múltiple secundario.

2.- El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque cada sección de múltiple incluye un tanque colector en donde se pueden separar medios gaseosos del medio líquido cuando fluyen a través de dichos múltiples.

3.- El aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque ambas secciones de múltiple primario y secundario incluyen por lo menos dos miembros tubulares verticales separados, por lo menos uno de los cuales está en comunicación de líquido con dicha pluralidad de tubos.

4.- El aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la sección de múltiple primario y la sección de múltiple secundario tienen cada una por lo menos un orificio de inyección de gas en la vecindad de la región más inferior de un componente tubular generalmente vertical de dicha sección.

5.- El aparato de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque cada orificio de inyección de gas es controlable independientemente del gas usado para inyección y las velocidades de flujo.

6.- El aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la sección de múltiple primario y la sección de múltiple secundario comprenden respectivamente una disposición tubular en forma de U y una disposición tubular en forma de U invertida.

7.- El aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque las secciones de múltiple primario y secundario están en comunicación de líquido mediante la intervención de un miembro de conexión.

8.- El aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque las secciones de múltiple primario y secundario comprenden cada una un par de tubos, uno localizado por lo general concéntricamente alrededor del otro.

9.- El aparato biorreactor que incluye por lo menos dos bobinas generalmente tubulares enrolladas helicoidalmente para permitir que los productos gaseosos sean expulsados de ias bobinas localizadas una arriba de la otra o en lotes agrupados alrededor de una estructura de soporte erguida, las bobinas teniendo entradas para recibir un flujo de medio líquido dentro del cual biomasa u otro material vivo puede ser cultivado, y una salida para dicho medio, las entradas de las bobinas dispuestas en comunicación de líquido con un múltiple primario, y las salidas de las bobinas dispuestas en comunicación de líquido con un múltiple secundario, dichos múltiples estando en comunicación de líquido, con lo cual se puede proveer un flujo de medio líquido desde el múltiple primario hasta el múltiple secundario, medios de control de fluido primarios siendo provistos para actuar sobre el medio líquido en o fluyendo desde el múltiple primario, y medios de control de flujo secundarios provistos para actuar sobre el medio líquido en o fluyendo en el múltiple secundario, los medios de control de flujo primarios y secundarios siendo ajustables, con lo cual el flujo de medio líquido a través de las bobinas se puede hacer variar ajustando dichos medios de control de flujo, o cualquiera de los mismos.

10.- El uso del aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en un método para cultivar material vivo tal como algas, bacterias u otros microorganismos.

11.- El uso del aparato de conformidad con la reivindicación 9, en un método para cultivar material vivo tal como algas, bacterias u otros microorganismos.