WO2013001107A1 - Métodos y sistemas de absorción de co2 y conversión en oxígeno gaseoso por medio de microorganismos. - Google Patents

Métodos y sistemas de absorción de co2 y conversión en oxígeno gaseoso por medio de microorganismos. Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to methods and systems for the absorption of CO2 and its conversion into gaseous oxygen by means of microorganisms according to the preamble of claims 1 and 21.
  • the present invention relates to methods and systems for the absorption of CO2 and its conversion into gaseous oxygen (O2) using certain microorganisms, such as certain microalgae, spores and mantle.
  • the CO2 comes from industrial sources, which achieves the objective of reducing atmospheric pollution, generating in return oxygen gaseous oxygen beneficial to the environment.
  • the present invention is based on the observation of the author of the present invention in the sense that, according to various publications, certain microorganisms, microalgal biomass, etc., can be used for the dual purpose of absorbing CO2 and generating lipids at the same time, with only the natural photoperiod and supporting the whole invention in the Calvin cycle or photosynthesis.
  • the cultivation of biomass based on the natural cycle of sunlight or photosynthetic light can give some guarantee of success for lipid production, and an acceptable level of real CO2 absorption, which is closely related to the ability to generate triglycerides from the cells themselves, cell division, and the specific location of the facility, which are generally based on open pools or pools, or vertical pipes where CO2 is projected from the base, in which after a few seconds of its Injection a large part of the gas mass escapes back into the atmosphere.
  • the right conditions could be promoted so that microorganisms did not lose energy generating triglycerides, but instead used it to reproduce, giving instead of an increased growth and reproduction rate, the absorption of CO2 and the consequent production of O2 by them would be substantially increased.
  • the appropriate conditions can be chosen so that the production of triglycerides is minor or even marginal, substantially orienting the production of the microorganisms towards the gaseous O2.
  • CO2 and especially industrial CO2 which has an effect on climate change that is increasingly evident, is usually accompanied by other greenhouse gases that are also not taken into account in these systems, and they would severely damage any cultivation of terrestrial or aquatic biomass irremediably, so that in the present invention its application has been taken into account industrially, efficiently and consciously from the multiple disciplines involved, and the combination of systems and subsystems that make it technically viable and scalable.
  • microalgae for CO2 absorption and its substantial conversion into O2 has long been known.
  • patent documents US 3,224,143 and US 3,303,608 already described the conversion of carbon dioxide into oxygen through the use of algae.
  • WO 92/00380 and US 5,614,378 describe the conversion of CO2 into O2 by cyanobacteria when irradiated with wavelength radiations between 400 and 700 nm.
  • the systems described in these documents are designed for use in artificial hearts, so they are not optimized for an industrial scale O2 production such as those of the present invention, and lack many of the technical characteristics described in the present invention.
  • the main objective pursued in the present invention is to convert CO2 into O2 as a means of providing practical solutions to the latest regulations, laws and measures that tend to reduce the carbon footprint to mitigate the effects of global warming.
  • technological solutions have been implemented using microalgae species that are usually different from those used in microalgae culture systems destined to obtain biofuels, as are their working conditions.
  • the microorganisms used in the present invention are different species of microalgae, bacteria and spores that, in perfect symbiosis, act efficiently in the uptake of carbon dioxide (CO2) from industrial sources and, with the possible assistance of tracers to base of calcium silicates, they transform it into oxygen (O2).
  • CO2 carbon dioxide
  • O2 oxygen
  • a first aspect of the invention is directed to a method for purifying contaminated air containing CO2 through the use of microalgae, which comprises the steps of: a) receiving air containing CO2 from a source of contaminated air; b) physical catalysis, in which the air containing CO2 is passed through plates comprising calcium and / or magnesium salts, in which a part of the CO2 in the air is fixed in the form of calcium and / or magnesium carbonates; c) fermentation, in which the air from stage b) is passed through a culture comprising a biofamily of microorganisms, in which at least part of the CO2 remaining in the air is dissolved; characterized in that the method further comprises the stage of: d) maximum production of O2, in which the culture of stage c) containing CO2 in solution and the biofamily of said microorganisms is passed through a circuit in which it is simultaneously subjected at a series of pressures in succession and irradiation with a series of frequencies of the light spectrum also in
  • a second aspect of the invention is directed to a system for purifying contaminated air containing CO2 through the use of microorganisms comprising the following elements: a) a receiving system (1) receiving air containing CO2 from an air source contaminated; b) plates (2) containing calcium and / or magnesium salts, intended to fix a part of the CO2 of the air received in the receiving systems (1) in the form of calcium and / or magnesium carbonates; c) fermentation tanks (3), which contain a culture comprising a family of microorganisms, intended to pass through the air from stage b); characterized in that the system further comprises: d) a circuit (4) of maximum O2 production, comprising a set of pipes intended to pass through them the cultivation of stage c), pipes comprising pressure means capable of subjecting the cultivation at a series of pressures in succession, as well as light irradiation means capable of irradiating the culture with a series of frequencies of the light spectrum also in succession.
  • the system will preferably be linear, in case the owner wishes to gradually generate oxygen. Thus, if it is not desired from the beginning to convert 100% into oxygen of the gases that are emitted, this value can be reached gradually.
  • the attached Figure 1 shows an illustrative general diagram of a preferred embodiment of the systems and methods of the present invention.
  • Figure 2 shows the results obtained by the system described in the Example Experimental No. 1.
  • Figure 3 shows the results obtained by the system described in Experimental Example No. 2.
  • Figure 4 shows the results obtained by the system described in Experimental Example No. 3.
  • Figure 5 shows the results obtained by the system described in Experimental Examples 4 to 6.
  • the present invention provides systems and methods for absorbing CO2 by producing gaseous oxygen that can be emitted into the atmosphere, so as to reduce greenhouse gas emissions, mainly CO2 as well as methane gas, having also found a way to do so in the minimum possible space, based on artificial photosynthesis and other resources that are detailed in the order of the flow chart.
  • the culture is developed by providing the microorganisms with carbon dioxide (CO2), which is mixed and partitioned, adding macro and micro elements, water and trace elements, which are injected together with the CO2 perfectly provided in blind photobioreactors that are irradiated with certain wavelengths of the visible spectrum, which are delivered to the microorganisms in the form of photons with the intensity necessary to obtain a high absorption of CO2, greatly inhibiting the formation of triglycerides, which in other systems are intended for the production of biofuels, in order to be converted mostly into O2.
  • CO2 carbon dioxide
  • macro and micro elements, water and trace elements which are injected together with the CO2 perfectly provided in blind photobioreactors that are irradiated with certain wavelengths of the visible spectrum, which are delivered to the microorganisms in the form of photons with the intensity necessary to obtain a high absorption of CO2, greatly inhibiting the formation of triglycerides, which in other systems are intended for the production of biofuels, in order to be converted mostly
  • the systems and methods of the invention provide for the possibility of using fresh, brackish or salt water which, when used in a closed circuit, prevents large losses of this resource from occurring.
  • the water can be sterilized to be reused to avoid any type of contamination, although the biosystem consisting of multiple species of microorganisms prevents substantially the development of other polluting, competitive or predatory species.
  • seawater, fresh or brackish water and CO2 are treated before entering the photobioreactor system, in which they are integrated with the microorganisms and nutrients necessary so that, with the incidence of light, it is verified the biomass growth of the system.
  • the culture system used is hexotrophic, since it is independent of natural light.
  • the species have been acclimatized to receive artificial light of a certain wavelength and with a defined intensity so that maximum CO2 uptake occurs.
  • Photoautotrophic systems need natural light to verify the growth of the crop.
  • the biomass resulting from the process is partially removed and then deactivated, extracting biogas through a fermentation oxidation process, using natural biological triggers or inductors that accelerate the process (methanogenic bacteria).
  • the biogas composition resulting from the digestion of biomass is approximately 30-40% CO2 and 60-70% methane.
  • This methane gas (ChU) obtained can be used, for example, for the generation of electrical energy by means of a turbine.
  • this turbine is a turbine of its own design, calculated for use with methane (ChU) and which has a conversion efficiency close to 87%, unlike the modified diesel or fuel oil groups that use this gas with an approximate conversion efficiency of 50%.
  • both the heat energy, and the low emission levels of this process are reused and reinjected into the system.
  • the systems and methods of the invention typically comprise the following steps:
  • the present invention may include a reception or extraction system that is responsible for extracting or receiving the gases from their source of origin and delivering them under the conditions of dissolution, pressure, temperature and physical pre-catalysis suitable for the rest of the system.
  • the invention has a pre-cooling chamber for gases, in which they are received from their original industrial facilities with a simple conventional industrial extractor prepared for high temperatures. If present, this extractor will be sized according to the volume of gas that wants to be absorbed by the owner of each industry, and pre-cooling can be carried out by any method known to the person skilled in the art.
  • the gas reception system comprises a circuit containing a certain solvent in circulation, in which both CO2 and other accompanying gases, such as NOx, SOx etc., to name a few, can be dissolved, buffered, pre-catalyzed and / or cooled to the appropriate temperature, as deemed necessary or convenient, before entering the rest of the system.
  • CO2 and other accompanying gases such as NOx, SOx etc.
  • the gases from the previous stage are passed to a physical catalysis stage.
  • this step is performed within a chamber with a humidity of 40% to 90%, and preferably 80% relative humidity or a series of similar chambers, where basically the cooled gases are circulated through plates catalytic that are placed in horizontal or vertical orientation according to the available space.
  • the entire system can be located underground mainly because it is based on photosynthesis caused by artificial light, which avoids even the visual pollution caused by the systems that are usually on the market.
  • the plates are quickly pierced by needles of different diameters, which leaves them with a multiplicity of holes that cross it diametrically, for example hundreds of them , allowing to increase its permeability or what is the same the rate of mineral carbonation in the same way that in nature the CO2 reacts with non-carbonated minerals to form carbonates, reactions that normally in nature are slow; This constitutes a first barrier for the secure fixation of CO2 or oxygen generation.
  • said plates contain the following materials in the following proportions:
  • 50% of the said calcium carbonate is obtained from fine grinding of oyster shells, clams and scallops obtained from restaurants and fish processing plants, and to a lesser extent those of mussels, which would otherwise end up in landfills, which is a way to value waste that could otherwise become pollutants.
  • the general reaction that occurs, as in nature, is exemplified as follows: ⁇ Mg, Ca) x SL v 0 x + 2y + z + xC0 2 ⁇ x (A, Ca) C ⁇ 3 ⁇ 4 + ySW 2 + sH 2 0
  • the percentage of fine-milled calcium and magnesium silicates incorporated into the closed gas extraction circuit ranges from 20g / L to 250g / L.
  • high percentages of olivine have been found in local clay soils, which can also be used in different proportions in the formulation indicated above, having observed that a ton of olivine Pure can store up to 2.3 Tm of CO2 in a relatively short time.
  • This system which can also serve to cool the inlet gases, which in most industries ranges from 130 ° C to 600 ° C in many cases, will generate vapor pressure in the circuit and raise the temperature in the first Absorption module, which will work, depending on the industry in question the installation of this system, at a temperature between 100 and 200 ° C and at a rate that will increase the permeability of the plates and therefore the speed of CO2 fixation.
  • This module is operated as a cascade condenser, balancing the pressures and extracting the CO2 at a lower temperature by means of a vacuum towards a second optional physical catalysis module, which will preferably work at lower temperatures, of the order of 21 ° C and 1 atm pressure
  • the main reactants of origin (CO2 and silicates), when combined with each other reduce their volume, with carbonates being 900 times denser (weighted average among those mentioned) than CO2 in a gaseous state at approx. 20 ° C and 1 atm.
  • CO2 is fixed in the minerals (solid phases) of the catalytic plates, that is to say that CO2 has already been incorporated into the solid phase, the whole - depending on the mixtures and their percentages - generates increases in weight and volume from 10% up to a 150%
  • the panels once they reach saturation, can be exchanged and easily used by different types of industries, especially cement. Also, as we said, raw materials are abundant and can be obtained from different places at a very cost competitive, and once saturated they are 100% recyclable without any special treatment, more than their new grinding.
  • these plates are analyzed periodically to assess their constitution and catalytic efficiency.
  • the most convenient standard dimensions of the module are 2.25 m wide x 2.50 m high x 12.5 m long, so that they can be quickly changed on trucks and transported to special rearmament facilities.
  • the new units can be interconnected so that it is not necessary to stop the cycle for the change of plates of the integral oxygen production circuit.
  • these containers are preferably internally plasticized and their floors are installed in the form of trays to contain and recirculate the different elements of the plates that decompose and drip, due to the high humidity of the environment and acidification of the environment. because of CO2.
  • modules will preferably be sized to substantially absorb NOx and SOx residues from the inlet gas, as well as from 20% to 25% of the CO2 contained therein, which the materials described in the composition of said plates will catalyze and / or convert into O2 The remaining 75/80% of CO2 gas, and although still with minimal traces of NOx and SOx, will be sent to the next fermentation stage:
  • Chlorophyllis Chlorella Vulgaris, Chlorella saccharophyla, Lobomonas sp, Scenedesmus acuminatus, Scenedesmus quadricauda, Scenedesmus sp, Scenedesmus desmodesmus, Ankistrodesmus angustus, Monoraphidium griffithii, Elakatothrix gelatinosa, Golenkinia spiateniastisiumisiathisiumisiacytoisiumisiacytoisiumisiacytoisiumisiacytoisiumisiacytoisiumisiacytoisiumisiacytoisiumisiacytoisiumisiacytoisiumisiacytocytemiaisiumisiumis, hamstriastiocytocytemiacytoidiacytocytemiais, Thymoliumusiaeusiumis, hawthornus, Chlorella Vulgaris
  • Cyanof ⁇ ceas Chroccoccus sp, Cianoficea filamentosa, Arthrospira platensis, Arthrospira maximum, Nostoc sp, Nostoc ellipsosporum, Nostoc spongiaeforme, Anabaena macrospora, Anabaena monticulosa, Anabaena azollae, Spirulina Platensis, Spirulina Máxima, Spirulina Orovilca, Spirulina Jeejibai, Spirulina Lonar; Prorocentrum Dentatus, Noctiluca Scientillans, Trichodesmium sp., Aurantiochytrium,
  • Cryptophyseas Cryptomonas sp, Cryptomonas brasiliensi;
  • MgSO4 From 1 to 3 g / l, preferably about 1.50 g / l;
  • Cl2Ca 0.1 to 0.25 g / l, preferably about 0.10 g / l; MnCl2-4H20 From 1 ⁇ 5 g / l, preferably about 2 g / l;
  • B03H3 From 20 to 40 mg / l, preferably around 31.5 mg / l.
  • the microorganisms mentioned are irradiated with a light radiation containing between 40 to 60%, and preferably about 50%, of blue light with a wavelength between 400 and 475 nm, participating in the rest of the light radiation the remaining wavelengths of the visible spectrum such as red, yellow, etc., optionally excluding green, and all having an intensity of at least 20 W / cm 2 at 38 W / cm 2 .
  • this irradiation scheme is further combined with the presence in the culture of an organic inhibitor selected from the group consisting of an alcohol, a ketone or a carboxylic acid, and more preferably ethanol, acetone or propanoic acid and / or acid Pentanoic, which aims to inhibit the fixation of triglyceride intra- and extra-cellularly, leading to high metabolic activity and the need for carbon by microorganisms, which in turn translates into a high consumption of CO2 by the same.
  • an organic inhibitor selected from the group consisting of an alcohol, a ketone or a carboxylic acid, and more preferably ethanol, acetone or propanoic acid and / or acid Pentanoic, which aims to inhibit the fixation of triglyceride intra- and extra-cellularly, leading to high metabolic activity and the need for carbon by microorganisms, which in turn translates into a high consumption of CO2 by the same.
  • the present author observed that, by additionally irradiating the microorganisms for 3 seconds per minute at an intensity of between 5 and 15 W / cm 2 of ultraviolet light with a wavelength between 400-200 nm without exceeding 3, 10 6 eV of energy per photon, preferably in combination with the aforementioned organic inhibitor, neither the cyanobacteria DNA is destroyed nor the photoinhibition regime thereof is achieved, but nevertheless they are induced to produce up to 2.5 kg of oxygen for every 2.8 kg of CO2 provided to each kilo of biomass.
  • the period of residence of the biomass in the Termentator was 4 to 6 days, with a variable percentage being withdrawn from 10 to 40% of this biomass every 5 days on average to be injected into the main absorption circuit. That is, the Termentadores are used in this way for super-intensive biomass rearing, which can be optionally transferred to the main absorption circuit to replenish the that is lost by mitochondrial over-excitation and deep photoinhibition. That is, it serves as a seedbed in what would be traditional agriculture.
  • Another characteristic of the systems and methods described is that the biofamily of microorganisms multiplies very acceptably in the percentages described, at water temperatures between 14 ° C and 18 ° C, as opposed to other systems that only work above 22 degrees Celsius up to 28 ° C.
  • the present inventor has calculated that the bulk of the world heavy industry (more than 60%), is located above the Tropic of Cancer, that is to say in cold climates. Therefore, a system such as that of the present invention, which is energy balanced and achieves the purpose for which it is designed, will preferably comprise microalgae species that function optimally in cold climates.
  • the system of the invention is also more efficient in the use of energy, since it is possible to take advantage of the waste heat of the exchangers at the beginning of the system
  • the formulation of the nutrients which is given by the study of the impact of the nitrogen cycle on nature and the different alterations thereof by means of human activities, is as indicated below, in which The percentages quoted are provided weekly (between 7 and 9 days) and refer to percentages by weight over the amount of biomass resident in the system (live):
  • Nitrogen gas Between 1% and 30%, preferably around 15%;
  • Nitric Acid Between 1% and 30%, preferably around 7%;
  • Ammonium Chloride (NhU CI): Between 1% and 30%, preferably around 7.5%;
  • Phosphorus oxide P2O5
  • Ammonium Nitrate N H4NO3
  • Potassium Oxide Between 1% and 40%, preferably around 23% Magnesium Oxide (MgO): Between 1% and 30%, preferably about 5%; Sulfur Trioxide (SO3): Between 1% and 40%, preferably around 23%; Calcium Oxide (CaO): Between 1% and 50%, preferably around 13%; Boron (B) Total 0.05% between 0.01% and 5% Iron (Fe) Total 0.07% between 0.01% and 7% Zinc (Zn) Total 0.05% between 0.01% and 30 % being the rest of the crop water, which can be sweet, brackish or salty.
  • MgO Magnesium Oxide
  • SO3 sulfur Trioxide
  • CaO Calcium Oxide
  • B Boron
  • B Total 0.05% between 0.01% and 5%
  • Iron (Fe) Total 0.07% between 0.01% and 7%
  • Zinc (Zn) Total 0.05% between 0.01% and 30 % being the rest of the crop water, which can be sweet, brackish or salt
  • the biomass is found in a concentration of 1 to 100 g / L, preferably around 27 g / L.
  • a distributor that promotes the dissolution of nutrients, as well as the dissolution and disintegration of microscopic CO2 bubbles is preferably located at the base of the Termentador tank, which greatly facilitates the absorption of the biosystem and biofamily that composes it and during the Photoperiod of artificial light from 14 to 18 hours.
  • atmospheric air is provided that, as it is known, has a large N2 content, which will also be present and dissolved in the water and available for the lighting phase.
  • the circuit is divided into sections in which the biomass passes during a given time, and in each of which the biomass will be subjected to a certain pressure and irradiated with a given irradiation.
  • the circuit would be divided into the following sections:
  • Section 1 Pipe 25 to 100 mm in diameter.
  • the culture would be irradiated with light radiations of frequencies between 400 and 520 nm at an irradiation intensity between 30 and 50 W / cm 2 and would be subjected to a pressure of 1, 8 to 5.5 atm, remaining in the same for a time between 10 minutes and 24 hours;
  • Section 2 63 mm to 120 mm diameter pipe.
  • the culture would be irradiated with light radiation of frequencies between 521 and 580 nm at an irradiation intensity between 10 and 20 W / cm 2 , and would be subjected to a pressure between 1.0 and 1.79 atm, remaining in the same for a time between 3 minutes and 24 hours;
  • Section 3 Pipeline from 83 mm to 180 mm in diameter.
  • the culture would be irradiated with light radiation of frequencies between 581 and 620 nm at an irradiation intensity between 21 and 31 W / cm 2 , and would be subjected to a pressure between 0.5 and 1.25 atm, remaining in the same for a time of 3 minutes to 24 hours;
  • Section 4 181 mm to 750 mm diameter pipe.
  • the crop would be irradiated with light radiation of frequencies between 621 and 750 nm at an irradiation intensity between 30 and 5 W / cm 2 , and would be subjected to a pressure between 0.01 and 1, 249 atm, remaining in the same for a time of 1 minute to 24 hours;
  • the biomass was irradiated with an irradiation of between 5 W and 50 W of violet light, the biomass having a concentration of 36 g of biomass per liter of water and moving inside the tube at a speed of 1 km / h at 10 km / h, so that the first liter of water that entered the tube returned at the other end 24 hours later.
  • the different light frequencies followed each other, thus crossing the light spectrum, starting with violet light and following through blue, green, yellow, orange and red light, to finish again in violet.
  • the biomass contained in the culture exhibited an absorption capacity of between 2.1 to 2.8 tons of CO2, producing from 0.600 to 0.800 tons of oxygen per 1000 kg of biomass.
  • the hoses of the circuit run through LED, organic LED or fiber optic hoses, which remain centered therein by a double ring system similar to the Mercedes Benz emblem, through whose center it passes a ring with brush bristles that supports the luminaires, and in its outer ring makes contact with the inner walls of the tube. All are joined together by a thin steel cable, connected by the ends of each tube, to an external rotating roller that receives them all, passing through paths that do not let water escape. Once a month the roller, which has a pinion and a low-speed electric motor attached, wind the cables according to the desired end roller, moving all the hoops towards it, which with their brushes clean biomass adhered to both the luminaire line as the outside of the tube.
  • composition of the resulting dry biomass will depend on the characteristics of the system, on the geographical factors of the place of installation of the system and on the multiple species used.
  • a type composition per gram of biomass with up to 4% maximum humidity would be as follows:
  • the trigger is basically organic glycerin, a very abundant and low-cost by-product, which is caused, for example, by the production of biodiesel. Being biodegradable, it is perfectly assimilable for animal feed. In this way the biomass is deactivated, preventing methane from being slowly emitted into the atmosphere, since or ⁇ ra the system would be negative in the production of oxygen since 1 Tm of methane is equivalent to 21 Tm of CO2. If a ton of vegetable or microalgae biomass produces a weighted average of 5500 liters of methane per day, by adding the grade C glycerin trigger, daily production is increased by 32%, but deactivated earlier. That is to say, the presence of the trigger what it achieves is not that the microorganisms extract more methane from a given biomass, what it does is extract it in less time.
  • This sustainable source is obtained from producing and burning methane (ChU), a byproduct of fermentation or deactivation of biomass, before converting it into Algae Meal or algae flour.
  • ChU methane
  • natural light can be combined with artificial light in any proportion.
  • You can also use a fixed or variable photoperiod, the second option being of particular interest in sites with very marked stations of different climates and light amplitudes.
  • the fermentation tanks can also be optionally installed at a certain angle with respect to the slope, for example 45 °, and a certain orientation, to achieve better solar tracking and therefore an additional increase in photosynthetic efficiency.
  • the present experimental example was performed on the following infrastructure that reproduces the system of the invention.
  • This system contained the following components: - A highly technical pool (1), with a controlled environment, with a capacity of 27,000 liters, which served as a regulatory tank;
  • Biomass growth refers to the increase in the concentration of microorganisms in the crop over time, measured in g / L.
  • Irradiation refers to the irradiation to which the microorganisms have been subjected, measured in W / cm 2 ;
  • Photoperiod refers to the amount in hours of daylight per day to which the microorganisms have been subjected, in hours / day;
  • CO2 Absorption refers to the amount of CO2 absorbed, in grams of CO2 absorbed per gram of biomass;
  • Example 3 In parallel, the same experience as in Example 1 was carried out in the laboratory, with a 400 L capacity regulator tank (1), an absorption circuit (2) of 240 L, a 180 L thermostat (3) and a catalytic module ( 4) with a total of 14 plates or catalyst plates of 1.5 kg each.
  • the results can be seen in the attached Figure 3.
  • a very high biomass growth rate is still observed in any case, and consequently a very high efficiency in the absorption of CO2 per gram of biomass in the system and method of the invention tested.
  • the present experimental example was carried out during the months of September 2010 to January 201 1 (austral summer) in transparent photobioreactors with lighting and solar photoperiod plus Termentadores with an inclination of 45 ° without solar tracking device.
  • the weighted average solar radiation of the site was 1 .150 W / m 2 in the hour section from 08:00 to 19:00 hours, with an average photoperiod of 12 hours.
  • the capacity of the circuit was 1,350 L, and the initial planting of microorganisms it was 10 g of biomass per liter of culture.
  • the biofamily of microorganisms contributed to the circuit consisted of 12 species of microalgae (7 autotrophic anucleated of the cyano group and 5 nucleated).
  • the type of water used was fresh water with an average pH in the period of 6.5 and an average temperature of 19 ° C.
  • the average pressure of the circuit was 1, 2 atm and the speed of circulation of the culture in the same one was of 0.20 to 0.54 m / s, with a time of permanence in the same one of 24 hours.
  • the rest of the irradiation parameters, pressures, etc., were carried out according to the scheme indicated above.
  • the measurements of the released O2 were made at 3 different points of the circuit: in the stabilization pool, with a dissolved oxygen sensor, Rosemount Analytical 54E4-01 brand; and on the cover of the 2 m 3 stabilization pool, with ane 900 Plus and ane Auto 5-2 sensors, with reading accuracy of ⁇ 5% in concentration and ⁇ 0.1% in ambient volume of measured gas.
  • the present experimental example was carried out during the months of March 2010 to September 2010 (southern autumn and winter) in transparent photobioreactors with lighting and solar photoperiod, plus Termentadores with an inclination of 45 ° and with biaxial solar tracking device.
  • the weighted average solar radiation of the site was 740 W / m 2 for 7 hours a day, although the photoperiod was extended to 14 hours a day thanks to the contribution of artificial lighting.
  • the capacity of the circuit was 1,350 L, and the initial sowing of microalgae was 10 g of biomass per liter of culture.
  • the biofamily of microorganisms contributed to the circuit consisted of 12 species of microalgae (7 autotrophic anucleated of the cyano group and 5 nucleated).
  • the type of water used was fresh water with an average pH in the period of 6.0 and an average water temperature of 16 ° C.
  • the average pressure of the circuit was 1, 3 atm and the circulation speed of the culture in it was 0.27 to 0.90 m / s, with a residence time of 24 hours.
  • the present experimental example was carried out in the same installation of Examples 4 and 5, but it was developed over a full year, from March 2010 to March 201 1.
  • the average photoperiod was 19 hours and 12 species of seed were initially seeded microalgae (7 autotrophic anucleated of the cyano group and 5 nucleated) in a concentration of 5 g of biomass per liter of culture.
  • the biofamily of microorganisms contributed to the circuit consisted of 12 species of microalgae (7 autotrophic anucleated of the cyano group and 5 nucleated).
  • the type of water used was fresh water with an average pH in the period of 5.5 and an average water temperature of 14 ° C.
  • the speed of circulation of the culture in the same one was of 0,54 to 1, 3 m / s, with a time of permanence of 24 hours.
  • This technology is applicable to any source of CO2 emission, although it is particularly suitable for highly polluting sources such as cement, petrochemical, steel, oil, electricity generation, and even its versatility allows its use in cities, highways or tunnels, where they can capture a wide variety of gases.

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Abstract

Se describen métodos y sistemas para purificar aire contaminado que contiene CO2, convirtiéndolo en O2 mediante el uso de microorganismos. Estos métodos y sistemas comprenden las etapas iniciales de captación del aire procedente de una fuente de aire contaminado que contiene CO2 tal como una industria y la subsiguiente catálisis física de este aire contaminado, haciéndolo pasar por placas que fijan parcialmente el CO2 en forma de carbonatos de calcio y/o magnesio. Tras estas etapas el aire se hace pasar por unos tanques Termentadores que contienen un cultivo que comprende microorganismos, y a continuación el cultivo se hace pasar por un circuito de tuberías en el que es irradiado con radiaciones lumínicas de unas determinadas frecuencias, intensidades y duraciones, consiguiéndose una producción de O2 maximizada. Mediante los sistemas y métodos descritos se consigue convertir CO2 en O2 con una eficiencia muy superior a los conocidos en la técnica anterior.

Description

MÉTODOS Y SISTEMAS DE ABSORCIÓN DE CO2 Y CONVERSIÓN EN OXÍGENO GASEOSO POR
MEDIO DE MICROORGANISMOS
Campo de la Invención. La presente invención se refiere a métodos y sistemas para la absorción de CO2 y su conversión en oxígeno gaseoso por medio de microorganismos de acuerdo con el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 21 .
Antecedentes de la invención La presente invención se refiere a métodos y sistemas para la absorción de CO2 y su conversión en oxígeno gaseoso (O2) utilizando para ello determinados microorganismos, tales como ciertas microalgas, esporas y manto. Preferiblemente, el CO2 procede de fuentes industriales, con lo que se consigue el objetivo de reducir la polución atmosférica, generando en contrapartida oxígeno gaseoso beneficioso para el medio ambiente. La presente invención se basa en la observación del autor de la presente invención en el sentido de que, según diversas publicaciones, ciertos microorganismos, biomasa microalgal, etc, pueden ser utilizados para el doble propósito de absorber CO2 y generar lípidos al mismo tiempo, con sólo el fotoperíodo natural y sustentando toda la invención en el ciclo de Calvin o la fotosíntesis. En estos casos, el cultivo de biomasa basado en el ciclo natural de la luz solar o fotosintético puede dar cierta garantía de éxito para la producción de lípidos, y un nivel aceptable de absorción real de CO2, lo que está relacionado íntimamente con la capacidad de generar triglicéridos de las propias células, la división celular, y la localización específica de la instalación, que generalmente están basadas en piscinas o piletones abiertos, o tuberías verticales donde se proyecta el CO2 desde la base, en los que después de pocos segundos de su inyección una gran parte de la masa gaseosa se escapa nuevamente a la atmósfera. Sin embargo, si se pudieran promover las condiciones adecuadas para que los microorganismos no perdieran energía generando triglicéridos, sino que la emplearan en reproducirse, dando lugar a una tasa de crecimiento y reproducción incrementadas, la absorción de CO2 y la consecuente producción de O2 por parte de las mismas se vería sustancialmente incrementada.
Así, por ejemplo, en la técnica anterior existen sistemas basados en el cultivo de microalgas para la producción de biocombustibles. Todos ellos utilizan, en su mayoría, una sola especie de microalgas (monocultivo) con un rendimiento muy bajo que no permite cerrar la ecuación económica del proceso y trabajan a temperaturas de entre 22°C y 28°C, acotando su operación a zonas de climas cálidos. Por el contrario, los sistemas y métodos de la presente invención pueden hacerse funcionar a temperaturas inferiores a 18°C, en particular entre 14 y 16 °C, lo que se ha conseguido aclimatando las especies de microalgas utilizadas a estas condiciones climatológicas. Además, en los sistemas y métodos de la invención pueden escogerse las condiciones apropiadas para que la producción de triglicéridos sea minoritaria o inclusive marginal, orientando substancialmente la producción de los microorganismos hacia el O2 gaseoso. Además, en los sistemas de la técnica anterior, el CO2, y sobre todo el CO2 industrial, que tiene un efecto sobre el cambio climático que es cada día más evidente, viene habitualmente acompañado de otros gases de efecto invernadero que tampoco son tenidos en cuenta en dichos sistemas, y los mismos dañarían severamente cualquier cultivo de biomasa terrestre o acuática irremediablemente, por lo que en la presente invención se ha tenido muy en cuenta su aplicación a escala industrial, eficiente y conscientemente desde las múltiples disciplinas involucradas, y la combinación de sistemas y subsistemas que la hagan técnicamente viable y escalable.
La utilización de microalgas para la absorción de CO2 y su conversión sustancial en O2 es conocida desde hace tiempo. Así, por ejemplo, los documentos de patente US 3,224,143 y US 3,303,608 ya describían la conversión del dióxido de carbono en oxígeno mediante el uso de algas.
Más recientemente, los documentos WO 92/00380 y US 5,614,378 describen la conversión de CO2 en O2 por parte de cianobacterias cuando son irradiadas con radiaciones de longitud de onda entre 400 y 700 nm. Sin embargo, los sistemas descritos en estos documentos están diseñados para su uso en corazones artificiales, por lo que no están optimizados para una producción de O2 a escala industrial como los de la presente invención, y carecen de muchas de las características técnicas descritas en la presente invención.
También se han descrito métodos y sistemas dirigidos a la conversión de CO2 en O2 en otras publicaciones de patente tales como EP 0 874 043 Al , EP 0 935 991 Al y WO 2005/001 104 Al , en los que se utilizaban como microalgas especies de Spirulina platensis y de Chlorella vulgaris, y JP 2009007178 A, en el que se utilizaban cianobacterias marinas del género Acaryochloris.
Sin embargo, ninguno de estos documentos describe o sugiere métodos y sistemas optimizados para la conversión de CO2 en O2 que presenten las características y ventajas de los métodos y sistemas de la presente invención, y en particular que exhiban una eficiencia notablemente incrementada sobre los descritos en la técnica anterior, como se describirá a continuación.
Resumen de la invención
El objetivo principal perseguido en la presente invención es el de convertir el CO2 en O2 como medio de aportar soluciones prácticas a las últimas regulaciones, leyes y medidas que tiendan a reducir la huella de carbono para paliar los efectos del calentamiento global. Para ello, se han puesto en práctica soluciones tecnológicas utilizando especies de microalgas que son habitualmente diferentes de las utilizadas en los sistemas de cultivo de microalgas con destino a la obtención de biocarburantes, al igual que lo son sus condiciones de trabajo. Los microorganismos utilizados en la presente invención son distintas especies de microalgas, bacterias y esporas que, en perfecta simbiosis, actúan de manera eficiente en la captación del dióxido de carbono (CO2) proveniente de fuentes industriales y que, con la posible asistencia de trazadores a base de silicatos cálcicos, lo transforman en oxígeno (O2) . Al proporcionar las condiciones adecuadas para que los microorganismos no consuman prácticamente energía generando triglicéridos, dicha energía es empleada por los microorganismos en reproducirse, manteniendo una tasa de crecimiento máxima, lo que finalmente redunda en una tasa de absorción de CO2 y de producción de O2 notablemente incrementada.
Otro aspecto que se ha considerado en la presente invención es el espacio físico necesario para su implementación a escala industrial. La mayoría de los sistemas conocidos requieren de luz natural como ya se ha explicado; por tanto, a partir de la simple ecuación de irradiación solar por cm2 de superficie, se llega a la conclusión de que, para tener la misma eficiencia que la presente invención, los sistemas y métodos de la técnica anterior necesitan superficies de terreno muy extensas, lo que en la mayoría de los polígonos industriales se hace impracticable, o al menos económicamente no viable.
En consecuencia, un primer aspecto de la invención va dirigido a un método para purificar aire contaminado que contiene CO2 mediante el uso de microalgas, que comprende las etapas de: a) recepción de aire que contiene CO2 procedente de una fuente de aire contaminado; b) catálisis física, en la cual el aire que contiene CO2 se hace pasar por placas que comprenden sales de calcio y/o magnesio, en las cuales una parte del CO2 del aire queda fijado en forma de carbonatos de calcio y/o magnesio; c) fermentación, en la cual el aire procedente de la etapa b) se hace pasar a través de un cultivo que comprende una biofamilia de microorganismos, en el que al menos parte del CO2 remanente en el aire queda disuelto; caracterizado porque el método comprende además la etapa de: d) máxima producción de O2, en la que el cultivo de la etapa c) que contiene CO2 en disolución y la biofamilia de microorganismos citada se hace pasar por un circuito en el que es sometido simultáneamente a una serie de presiones en sucesión y a irradiación con una serie de frecuencias del espectro luminoso también en sucesión, provocándose una disminución del contenido de CO2 en el cultivo por absorción y/o digestión de dicho CO2 en los microorganismos y produciendo O2. Un segundo aspecto de la invención se dirige a un sistema para purificar aire contaminado que contiene CO2 mediante el uso de microorganismos que comprende los siguientes elementos: a) un sistema de recepción (1 ) que recibe aire que contiene CO2 procedente de una fuente de aire contaminado; b) unas placas (2) que contienen sales de calcio y/o magnesio, destinadas a fijar una parte del CO2 del aire recibido en los sistemas de recepción (1 ) en forma de carbonatos de calcio y/o magnesio; c) unos tanques (3) de fermentación, los cuales contienen un cultivo que comprende una familia de microorganismos, destinado a hacer pasar por el mismo el aire procedente de la etapa b); caracterizado porque el sistema comprende además: d) un circuito (4) de máxima producción de O2, que comprende un conjunto de tuberías destinado a hacer pasar por ellas el cultivo de la etapa c), tuberías que comprenden unos medios de presión capaces de someter el cultivo a una serie de presiones en sucesión, así como unos medios de irradiación lumínica capaces de irradiar el cultivo con una serie de frecuencias del espectro luminoso también en sucesión.
El sistema será preferentemente lineal, para el caso de que el propietario desee ir generando oxigeno gradualmente. De este modo, si no se desea desde un inicio convertir el 100% en oxígeno de los gases que se emitan, puede llegarse a ese valor gradualmente.
Breve descripción de las figuras.
La Figura 1 anexa muestra un diagrama general ilustrativo de una realización preferida de los sistemas y métodos de la presente invención.
La Figura 2 muestra los resultados obtenidos por el sistema descrito en el Ejemplo Experimental n° 1 .
La Figura 3 muestra los resultados obtenidos por el sistema descrito en el Ejemplo Experimental n° 2.
La Figura 4 muestra los resultados obtenidos por el sistema descrito en el Ejemplo Experimental n° 3.
La Figura 5 muestra los resultados obtenidos por el sistema descritos en los Ejemplos Experimentales n° 4 a 6.
Descripción detallada de la invención. La presente invención proporciona sistemas y métodos para absorber CO2 produciendo oxígeno gaseoso que puede ser emitido a la atmósfera, de forma que se reduzcan las emisiones de gases de efecto invernadero, principalmente CO2 así como gas metano, habiéndose encontrado además la forma de hacerlo en el mínimo espacio posible, basándose en fotosíntesis artificial y otros recursos que en el orden del diagrama de flujos a continuación se detallan.
De manera general, el cultivo se desarrolla proporcionando a los microorganismos dióxido de carbono (CO2), que es mezclado y particionado, agregándole macro y micro elementos, agua y elementos trazadores, que se inyectan junto al CO2 perfectamente proporcionado en fotobiorreactores ciegos que son irradiados con ciertas longitudes de onda del espectro visible, que son entregadas a los microorganismos en forma de fotones con la intensidad necesaria para obtener una gran absorción de CO2, inhibiendo en gran medida la formación de triglicéridos, que en otros sistemas van destinados a la producción de biocombustibles, para así ser convertido mayoritariamente en O2.
Los sistemas y métodos de la invención prevén la posibilidad de utilización de agua dulce, salobre o salada que, al ser utilizada en circuito cerrado, evita que se produzcan grandes pérdidas de este recurso. Después de intervenir en el proceso, el agua puede ser esterilizada para ser reutilizada para evitar cualquier tipo de contaminación, aunque el biosistema conformado por múltiples especies de microorganismos impide de por sí sustancialmente el desarrollo de otras especies contaminantes, competitivas o depredadoras.
En realizaciones preferidas, el agua de mar, agua dulce o salobre y el CO2 son tratados previamente a su ingreso al sistema de fotobiorreactores, en los cuales se integran con los microorganismos y los nutrientes necesarios para que, con la incidencia de luz, se verifique el crecimiento de la biomasa del sistema.
El sistema de cultivo utilizado es hexotrófico, puesto que es independiente de la luz natural. Las especies han sido aclimatadas para recibir luz artificial de una determinada longitud de onda y con una intensidad definida para que se produzca la máxima captación del CO2. Los sistemas fotoautotróficos, en cambio, necesitan luz natural para que se verifique el crecimiento del cultivo.
Una vez conseguido el crecimiento máximo previsto de la biomasa, la biomasa resultante del proceso es parcialmente retirada y a continuación desactivada, extrayéndole biogás por un proceso de oxidación fermentativa, utilizando para ello disparadores o inductores biológicos naturales que aceleran el proceso (bacterias metanogénicas). La composición del biogás resultante de la digestión de la biomasa es de aproximadamente 30-40% de CO2 y 60-70% de metano. Este gas metano (ChU) obtenido puede ser utilizado, por ejemplo, para la generación de energía eléctrica por medio de una turbina. En una realización particularmente preferida, esta turbina es una turbina de diseño propio, calculada para la utilización con metano (ChU) y que posee una eficiencia de conversión cercana al 87%, a diferencia de los grupos de gasoil o fueloil modificados que utilizan este gas con una eficiencia de conversión aproximada del 50%. Finalmente, en realizaciones preferidas, tanto la energía calorífica, como los bajos niveles de emisiones de este proceso, son reutilizados y reinyectados en el sistema. Los sistemas y métodos de la invención comprenden típicamente las siguientes etapas:
1.- Etapa de recepción de gases: Generalmente, la mayoría de los grandes emisores de CO2 realizan algún tipo de mitigación en las emisiones de NOx, SOx y partículas utilizando diversos filtros, catalizadores y/o medios mecánicos, consiguiendo distintos grados de mitigación de las emisiones, siendo las de CO2 las más abundantes, caras y complejas de mitigar por su volumen frente a otros contaminantes.
De manera general, la presente invención puede incluir un sistema de recepción o extracción que se encargue de extraer o recibir los gases desde su fuente de origen y entregarlos en las condiciones de disolución, presión, temperatura y pre-catalización física adecuadas para el resto del sistema. En una realización, en esta etapa de recepción la invención posee una pre-cámara de enfriamiento de los gases, en la que son recibidos desde sus instalaciones industriales de origen con un simple extractor convencional industrial preparado para altas temperaturas. En caso de que esté presente, este extractor será dimensionado de acuerdo con el volumen de gas que quiera ser absorbido por el propietario de cada industria, y el pre-enfriamiento podrá realizarse por cualquier método conocido por el experto en la técnica.
En otra realización particularmente preferida, el sistema de recepción de gases comprende un circuito que contiene un determinado disolvente en circulación, en el que tanto el CO2 como también los otros gases acompañantes, tales como NOx, SOx etc., por mencionar algunos, pueden ser disueltos, amortiguados, pre-catalizados y/o enfriados a la temperatura adecuada, según se considere necesario o conveniente, antes de ingresar al resto del sistema.
2.- Etapa de catálisis física: Una vez enfriados adecuadamente, los gases procedentes de la etapa anterior se hacen pasar a una etapa de catálisis física. En una realización preferida, esta etapa se realiza dentro de una cámara con una humedad del 40% al 90%, y preferiblemente del 80% de humedad relativa o una serie de cámaras similares, donde básicamente los gases enfriados se hacen circular a través de placas catalíticas que se colocan en orientación horizontal o vertical de acuerdo con el espacio disponible. Como se verá mas adelante, todo el sistema puede ser ubicado bajo tierra principalmente por basarse en fotosíntesis originada por luz artificial, con lo que incluso se evita la contaminación visual que causan los sistemas que se hallan en el mercado habitualmente.
Estas placas han sido diseñadas y desarrolladas para la presente invención partiendo de materiales generalmente muy abundantes y provenientes preferiblemente de residuos urbanos, principalmente silicatos de calcio o magnesio, ligándolos de forma tal que tengan una porosidad suficiente para permitir el paso de los gases, especialmente el CO2 gaseoso y el CO2 disuelto en agua. Para ello, en una realización preferida, en el momento de su fabricación y previamente a su fraguado, las placas son rápidamente atravesadas por agujas de distintos diámetros, lo que las deja con una multiplicidad de agujeros que la atraviesan diametralmente, por ejemplo cientos de ellos, permitiendo aumentar su permeabilidad o lo que es lo mismo la velocidad de carbonatación mineral de la misma forma en que en la naturaleza reacciona el CO2 con minerales no carbonatados para formar carbonatos, reacciones que normalmente en la naturaleza son lentas; esto constituye una primera barrera de fijación segura de CO2 o generación de oxigeno. En una realización particularmente preferida, dichas placas contienen los siguientes materiales en las siguientes proporciones:
- 10% a 30% de CaO;
- 5% a 25 % de Carburo Cálcico (CaC2);
- 15 a 25% de Hidróxido Cálcico Ca (OH)2; - 10 a 50% de Carbonato Cálcico (CaCOs);
- 5% a 50% de Magnesio (Mg)
5% a 15% de limadura de aluminio (Al).
En una realización particularmente preferida , el 50% del carbonato cálcico citado es obtenido de molienda fina de conchas de ostras, almejas y vieras obtenidas de restaurantes y plantas de procesamiento pesquero, y en menor medida de las de mejillones, que de otra forma terminarían en vertederos, lo que supone una manera de valorizar residuos que de otro modo podrían llegar a ser contaminantes. La reacción general que se produce, al igual que en la naturaleza, está ejemplificada de la siguiente manera: {Mg,Ca)xSLv0x+2y+z + xC02→ x(A ,Ca)C{¾ + ySW2 + sH20
Normalmente, el porcentaje de silicatos de calcio y magnesio de molienda fina incorporados al circuito cerrado de extracción de gases varía entre 20g/L a 250 g/L. En determinadas localizaciones tales como en Chubut, Argentina, de donde es originario el inventor, se han encontrado porcentajes altos de olivino en tierras arcillosas locales, que también pueden ser utilizadas en distintas proporciones en la formulación arriba indicada, habiéndose observado que una tonelada de olivino puro puede llegar a almacenar (pulverizado) hasta 2,3 Tm de CO2 en un tiempo relativamente corto.
Olivino de Chubut: Mg2S¡04 + 2CO2 - 2MgC03S¡02
En el sistema descrito, y debido a que normalmente el secuestro de CO2 desde las chimeneas se hace por arrastre de una corriente de agua en circuito cerrado (bucle módulo de catálisis física-chimenea-módulo de catálisis física) también rica en silicatos, entonces parte de la fijación del CO2 ya se produce por la dilución misma del CO2 en agua y en contacto permanente dentro de este bucle.
Este sistema, que además puede servir para enfriar los gases de entrada, que en la mayoría de las industrias oscila desde los 130°C a los 600°C en muchos casos, generará presión de vapor en el circuito y elevará la temperatura en el primer modulo de absorción, que funcionará, dependiendo de la industria de que se trate la instalación de este sistema, a una temperatura entre 100 y 200° C y a un régimen que aumentará la permeabilidad de las planchas y por tanto la rapidez de fijación del CO2. Este módulo se hace trabajar como un condensador de cascada, equilibrando las presiones y extrayendo el CO2 a menor temperatura por medio de vacío hacia un segundo módulo de catálisis física opcional, que preferiblemente trabajará a temperatura más bajas, del orden de 21 °C y a 1 atm de presión.
Los reactantes principales de origen (CO2 y silicatos), al combinarse entre sí reducen su volumen, siendo los carbonatos unas 900 veces más densos (media ponderada entre los mencionados) que el CO2 en estado gaseoso a aprox 20°C y 1 atm. Al fijarse el CO2 en los minerales (fases sólidas) de las placas catalíticas, es decir ya incorporado el CO2 a la fase sólida, el conjunto -dependiendo de las mezclas y sus porcentajes- genera incrementos de peso y volumen desde un 10% hasta un 150%. Los paneles, una vez lleguen a su saturación, pueden ser intercambiados y fácilmente aprovechados por distintos tipos de industrias, especialmente las cementeras. Asimismo, como ya dijimos, las materias primas son abundantes y pueden obtenerse de distintos lugares a un costo muy competitivo, y una vez saturados son reciclables en un 100% sin ningún tipo de tratamiento especial, mas que su nueva molienda.
Preferiblemente, estas placas son analizadas de manera periódica para evaluar su constitución y eficiencia catalítica. Las dimensiones estándar más convenientes del módulo son 2,25 m de ancho x 2,50 m alto x 12,5 m de largo, para que puedan ser cambiadas de forma rápida sobre camión y transportadas a instalaciones especiales de rearmado. Asimismo, las nuevas unidades pueden ser interconectadas de modo que no sea preciso detener el ciclo para el cambio de placas del circuito integral de producción de oxígeno. Al efectuarse diversas reacciones químicas en la catálisis, estos contenedores son preferiblemente plastificados internamente y sus pisos se instalan en forma de bateas para contener y recircular los distintos elementos de las placas que se descomponen y gotean, por la alta humedad del ambiente y acidificación del medio por causa del CO2.
Estos módulos estarán preferiblemente dimensionados para absorber sustancialmente los restos de NOx y SOx del gas de entrada, así como desde un 20% a 25% del CO2 contenido en él, que los materiales descritos en la composición de dichas placas catalizarán y/o convertirán en O2. El 75/80% restante del gas CO2, y aunque aún con mínimas trazas de NOx y SOx, será enviado a la siguiente etapa de fermentación:
3.- Etapa de fermentación: Los gases procedentes de la etapa anterior son transferidos a tanques fermentadores, en los que se hacen pasar a través de un cultivo que contiene una biofamilia de microorganismos del tipo de microalgas y esporas de gran capacidad de absorción o biofijación del CO2 y liberación de oxígeno, cultivo que es entonces sometido a unas condiciones de irradiación determinadas. En una realización preferida, esta biofamilia de microorganismos comprende cualquier subconjunto de las siguientes especies:
Clorofíceas: Chlorella Vulgaris, Chlorella saccharophyla, Lobomonas sp, Scenedesmus acuminatus, Scenedesmus quadricauda, Scenedesmus sp, Scenedesmus desmodesmus, Ankistrodesmus angustus, Monoraphidium griffithii, Elakatothrix gelatinosa, Golenkinia radíate, Dictyosphaerium pullchellum, Sphaerocystis schroetenii, Oocystis sp, Selenodyctium brasiliens,
Cianofíceas: Chroccoccus sp, Cianoficea filamentosa, Arthrospira platensis, Arthrospira máxima, Nostoc sp, Nostoc ellipsosporum, Nostoc spongiaeforme, Anabaena macrospora, Anabaena monticulosa, Anabaena azollae, Spirulina Platensis, Spirulina Máxima, Spirulina Orovilca, Spirulina Jeejibai, Spirulina Lonar; Prorocentrum Dentatus, Noctiluca Scientillans, Trichodesmium sp., Aurantiochytrium,
Criptoficeas: Cryptomonas sp, Cryptomonas brasiliensi;
Diatomeas: Céntrica s/i, Nitzchia sp, Skeletonema Costatu,
Esporas y manto: Pardas Laminariales (Macrocystis Pyrifera, Undaria Pinnitafida); Rojas Orden Gigartinales (Gigartina Skoltosbergii) ( appaphycus Alvarezii) , Verdes Orden Ulvales (Enteromorpha Prolifera).
Todas estas especies, en su conjunto (biofamilia) o por separado o en cualquiera de sus combinaciones y proporciones de predominancia natural o inducida, podrán ser desarrolladas en agua dulce, salobre o marina, en las proporciones de dilución y temperatura adecuadas de acuerdo a la región donde se establezca su cultivo, o bien podrán ser cultivadas en agua o medio de cultivo artificial que tendrá las siguientes características según una realización preferida:
Por cada 1 .000 mi de agua destilada o bidestilada se adicionarán artificialmente los siguientes elementos que garantizan un muy aceptable comportamiento de las especies citadas para el fin perseguido, pudiendo desarrollarse las mismas por separado o en conjunto (biofamilia), pudiéndose regular las proporciones hacia los mínimos porcentajes expuestos (agua menos salobre a dulce), o los máximos porcentajes citados (agua menos salobre a marina e incluso con características de salitral):
NaCI De 3 a 33 g/l, preferentemente alrededor de 1 1 g/l;
KCI De 0, 1 a 0,9 g/l, preferentemente alrededor de 0,4 g/l;
MgSÜ4 De 1 a 3 g/l, preferentemente alrededor de 1 ,50 g/l;
Na2Si03 ·9 H2O De 0, 1 a 0,9 g/l, preferentemente alrededor de 0,5 g/l;
S04Fe H20 De 1 a 8 mg/l, preferentemente alrededor de 3 mg/l;
Na2EDTA De 1 a 9,6 mg/l, preferentemente alrededor de 2,7 mg/l;
Cl2Ca De 0, 1 a 0,25 g/l, preferentemente alrededor de 0,10 g/l; MnCl2-4H20 De 1 α 5 g/l, preferentemente alrededor de 2 g/l;
CO2CI De 1 a 9 pg/1, preferentemente alrededor de 2,3 g/l;
CUCI2-2H2O 20 g/l, preferentemente alrededor de 15 g/l;
Cl2Zn De 0, 1 a 0,7 mg/l, preferentemente alrededor de 0,3 mg/l;
B03H3 De 20 a 40 mg/l, preferentemente alrededor de 31 ,5 mg/l.
En la presente etapa, los microorganismos citados son irradiados con una radiación lumínica que contiene entre un 40 a 60%, y preferiblemente alrededor del 50%, de luz azul con una longitud de onda entre 400 y 475 nm, participando en el resto de la radiación lumínica las restantes longitudes de onda del espectro visible tales como roja, amarilla, etc., opcionalmente excluyendo la verde, y teniendo todas ellas una intensidad de al menos 20 W/cm2 a 38 W/cm2. Opcionalmente, este esquema de irradiación es combinado además con la presencia en el cultivo de un inhibidor orgánico seleccionado del grupo que consiste en un alcohol, una cetona o un ácido carboxílico, y de manera más preferida etanol, acetona o ácido propanoico y/o ácido pentanoico, que tiene como objetivo inhibir la fijación de triglicérido intra- y extra-celularmente, conduciendo a una gran actividad metabólica y necesidad de carbono por parte de los microorganismos, lo que a su vez se traduce en un gran consumo de CO2 por parte de los mismos.
Además, el presente autor observó que, irradiando adicionalmente los microorganismos durante 3 segundos por cada minuto a una intensidad de entre 5 y 15 W/cm2 de luz ultravioleta con una longitud de onda entre los 400-200 nm sin superar 3, 106 eV de energía por fotón, preferiblemente en combinación con el inhibidor orgánico ya mencionado, ni se llega a destruir el ADN de las cianobacterias ni se alcanza el régimen de fotoinhibición de las mismas, pero sin embargo se les induce a producir hasta 2,5 kg de oxigeno por cada 2,8 kg de CO2 proporcionados a cada kilo de biomasa.
En una realización práctica, el período de residencia de la biomasa en el Termentador fue de 4 a 6 días, retirándose un porcentaje variable desde el 10 al 40% de esta biomasa cada 5 días en promedio para inyectarla al circuito principal de absorción. Es decir, los Termentadores se utilizan de este modo para la cría súper-intensiva de biomasa, que puede ser opcionalmente trasladada al circuito principal de absorción para reponer la que se vaya perdiendo por la sobre-excitación mitocondrial y fotoinhibición profunda. Es decir, que hace las veces de semillero en lo que sería la agricultura tradicional.
Otra característica de los sistemas y métodos descritos, a diferencia de otros sistemas de la técnica anterior, es que la biofamilia de microorganismos se multiplica muy aceptablemente en los porcentajes descritos, a temperaturas del agua de entre 14°C y 18°C, frente a otros sistemas que solo funcionan por encima de los 22 grados centígrados hasta los 28°C. El presente inventor ha calculado que el grueso de la industria pesada mundial (mas del 60%), se localiza por encima del Trópico de Cáncer, es decir en climas fríos. Por ello, un sistema tal como el de la presente invención, que es energéticamente balanceado y que logra el fin para el cual está diseñado, comprenderá preferiblemente especies de microalgas que funcionen óptimamente en climas fríos.
El sistema de la invención es también más eficiente en el uso de la energía, ya que es posible aprovechar el calor residual de los intercambiadores al inicio del sistema
Para que la biofamilia de microorganismos haga su función adecuadamente es conveniente que dispongan de unos nutrientes adecuados en el cultivo. En una realización preferida, la formulación de los nutrientes, que viene dada por el estudio del impacto del ciclo del nitrógeno en la naturaleza y las distintas alteraciones del mismo por medio de las actividades humanas, es la que se indica a continuación, en la que los porcentajes citados son aportados semanalmente (entre 7 y 9 días) y se refieren a porcentajes en peso sobre de la cantidad de biomasa residente en el sistema (viva):
Nitrógeno gaseoso (N2) : Entre 1 % y 30%, preferiblemente alrededor del 15%;
Ácido Nítrico: Entre 1 % y 30%, preferiblemente alrededor del 7%;
Cloruro de Amonio (NhU CI): Entre l % y 30%, preferiblemente alrededor del 7,5% ;
Óxido de fósforo (P2O5) , de 1 % a 30% Nitrato de Amonio (N H4NO3) : Entre l% y 30%, preferiblemente alrededor del 13%;
Oxido de Potasio (K2O) : Entre 1 % y 40%, preferiblemente alrededor del 23% Oxido de Magnesio (MgO) : Entre 1 % y 30%, preferiblemente alrededor del 5%; Trióxido de Azufre (SO3) : Entre 1 % y 40%, preferiblemente alrededor del 23%; Oxido de Calcio (CaO) : Entre 1 % y 50%, preferiblemente alrededor del 13% ; Boro (B) Total 0,05% entre 0,01 % y 5% Hierro (Fe) Total 0,07% entre 0,01 % y 7 % Zinc (Zn) Total 0,05% entre 0,01 % y 30% siendo el resto del cultivo agua, que puede ser dulce, salobre o salada.
En este cultivo se encuentra la biomasa en una concentración de 1 a 100 g/L, preferiblemente alrededor de 27 g/L. Además, en la base del tanque Termentador se localiza preferiblemente un distribuidor que promueve la disolución de los nutrientes, así como la disolución y disgregación de las burbujas del CO2 microscópicas, lo que facilita ampliamente la absorción del biosistema y biofamilia que lo compone y durante el fotoperíodo de luz artificial de entre 14 a 18 hs. El resto del tiempo, en la fase oscura, se le aporta aire atmosférico que como es conocido posee gran contenido de N2, que también estará presente y disuelto en el agua y disponible para la fase de iluminación.
4.-Circuito de Máxima Producción de O2:
La idea subyacente de esta etapa del proceso partió de que el inventor, de origen patagónico, identificó que la familia de microorganismos utilizados, que proviene de especies típicamente patagónicas, en su hábitat natural en la Patagonia, a 21 metros de profundidad y a 8°C de temperatura, la mayor parte de la luz que recibían era básicamente luz azul (fotosíntesis en el abismo). Sin embargo, debido a la amplitud de las pleamares y bajamares, a medida que comenzaba a bajar la marea, dichas microolgas eran irradiadas paulatinamente con distintas frecuencias lumínicas que venían determinadas por la profundidad del agua en cada momento. Esto, según se cree, ha ocasionado que la biofamilia de microolgas considerada se haya acostumbrado a ser selectiva hacia determinadas frecuencias lumínicas, absorbiendo de manera más eficiente la luz de frecuencias alrededor de la azulada. Esto que dio lugar a la idea de proporcionar a estas microalgas radiación lumínica de unas longitudes de onda específicas alrededor de aquellas a las que naturalmente se han aclimatado, aunque con el doble o más de intensidad lumínica, sin que llegara a observarse en ellas una fotoinhibición sustancial. Siguiendo este razonamiento, el autor de la presente invención desarrolló un fotoperíodo de 14 a 18 horas de luz artificial con una intensidad y disgregación lumínica ponderada más de dos veces superior a la que recibirían en condiciones naturales, lo que generó un crecimiento exponencial de los microorganismos, que a su vez trajo aparejada una altísima absorción de CO2 y producción de O2.
Las ideas anteriores se han plasmado en un circuito que es de manera conveniente un fotobioreactor ciego, ya que sus paredes no precisan ser translúcidas. Por ello, puede ser construido en metal, plástico PVC o nylon, de acuerdo a las condiciones de localización y climatología. De acuerdo a la cantidad de oxigeno a producir se calculará el diámetro de dichos tubos para una cantidad de biomasa dada y una radiación de luz irradiada por sectores y circuito dada. No todos los tubos precisan tener el mismo diámetro, ya que se utiliza el principio de Bemoulli para lograr el máximo ahorro de energía en impulsión y recirculación, así como para someter al cultivo presente en el circuito a la presión deseada en cada momento a base de seleccionar adecuadamente el diámetro de la tubería en cada sección de la misma. Asimismo, en una realización más preferida, en el interior del tubo estarán dispuestas unas tiras de diodos LED, fibra óptica o LEDs orgánicos, que aseguran el ciclo de Calvin durante un fotoperíodo irregular en frecuencia e intensidad lumínica. Es decir, el circuito está dividido en secciones en las que la biomasa pasa durante un tiempo dado, y en cada una de las cuales la biomasa será sometida a una presión determinada e irradiada con una irradiación determinada. De acuerdo con un esquema general e ilustrativo de las condiciones de presión, irradiación y permanencia de los microorganismos en cada sección del módulo de máxima producción de O2 según una realización preferida, el circuito estaría dividido en las siguientes secciones:
Sección 1 : Tubería de 25 a 100 mm de diámetro. En esta sección, el cultivo sería irradiado con radiaciones lumínicas de frecuencias entre 400 y 520 nm a una intensidad de irradiación entre 30 y 50 W/cm2 y estaría sometido a una presión de 1 ,8 a 5,5 atm, permaneciendo en el mismo durante un tiempo entre 10 minutos y 24 horas; Sección 2: Tubería de 63 mm a 120 mm de diámetro. En esta sección, el cultivo sería irradiado con radiaciones lumínicas de frecuencias entre 521 y 580 nm a una intensidad de irradiación entre 10 y 20 W/cm2, y estaría sometido a una presión entre 1 ,0 y 1 ,79 atm, permaneciendo en el mismo durante un tiempo entre 3 minutos y 24 horas;
Sección 3: Tubería de 83 mm a 180 mm de diámetro. En esta sección, el cultivo sería irradiado con radiaciones lumínicas de frecuencias entre 581 y 620 nm a una intensidad de irradiación entre 21 y 31 W/cm2, y estaría sometido a una presión entre 0,5 y 1 ,25 atm, permaneciendo en el mismo durante un tiempo de 3 minutos a 24 horas;
Sección 4: Tubería de 181 mm a 750 mm de diámetro. En esta sección, el cultivo sería irradiado con radiaciones lumínicas de frecuencias entre 621 y 750 nm a una intensidad de irradiación entre 30 y 5 W/cm2, y estaría sometido a una presión entre 0,01 y 1 ,249 atm, permaneciendo en el mismo durante un tiempo de 1 minuto a 24 horas;
Este circuito puede ser repetido el número de veces que se considere necesario o conveniente, y también las etapas citadas pueden ser intercambiadas unas por otras, o bien algunas de ellas eliminadas o repetidas de manera individual, según se considere necesario o conveniente en cada caso. En una realización práctica experimental, se comenzó irradiando la biomasa con una irradiación de entre 5 W y 50 W de luz violeta, teniendo la biomasa una concentración de 36 g de biomasa por litro de agua y desplazándose por dentro del tubo a una velocidad de 1 km/h a 10 km/h, de manera que el primer litro de agua que ingresó al tubo retornó por el otro extremo 24 horas más tarde. En este trayecto de 24 horas se sucedieron las distintas frecuencias lumínicas, recorriendo de esta manera el espectro luminoso, comenzando por luz violeta y siguiendo por luz azul, verde, amarilla, naranja y roja, para terminar de nuevo en violeta. Entre el cambio de un color a otro se introdujeron opcionalmente secciones de oscuridad en las que los microorganismos se mantenían en oscuridad por un determinado espacio de tiempo, por ejemplo media hora. De esta manera, la biomasa pasa del estado foto-autotrófico, a estado heterótrofo y a estado mexotrófico. Esta realización práctica se implemento en un circuito de tuberías con diámetros de 40 mm hasta 100 mm que se instalaron en estructuras portátiles metálicas de un volumen aproximado de 2,25 metros de ancho por 2,50 m de alto y 12,5 m de largo, lo que hace este sistema transportable por camión o dentro de contenedores. Además, la estructura metálica portátil admite también la colocación de hasta 4 módulos colocados uno encima del otro, instalándose unos 6 km de tubería. Como resultado del experimento, la biomasa contenida en el cultivo exhibió una capacidad de absorción de entre 2,1 a 2,8 Tm de CO2, produciendo de 0,600 a 0,800 Tm de oxigeno por cada 1000 kg de biomasa. Asimismo, por cada kilómetro de tubería es posible conectar, a modo de by-pass o circunvalación, y por medio de una T y varias reducciones, un tubo que, en las dimensiones ensayadas, fue de 6 m de alto y de entre 30 y 40 cm de diámetro, donde por la base se inyecta el CO2 más los nutrientes, y por la parte superior continúa el circuito principal absorbiendo y aspirando de estos mezcladores por medio de efecto Venturi el agua, la biomasa, el CO2 y los nutrientes adecuadamente dosificados y diluidos.
En una realización particularmente preferida, por el interior de los tubos del circuito recorren mangueras de LEDs, LEDs orgánicos o fibra óptica, que se mantienen centradas dentro de los mismos por un sistema de aros dobles similar al emblema de Mercedes Benz, por cuyo centro pasa un aro con cerdas de cepillos que sostiene las luminarias, y en su aro exterior hace contacto con las paredes interiores del tubo. Todas están unidas entre sí por un delgado cable de acero, conectado por los extremos de cada tubo, hacia un rodillo giratorio exterior que los recibe a todos, pasando por sendas prensas que no dejan escapar el agua. Una vez al mes el rodillo, que tiene adosado un piñón y un motor eléctrico de bajas revoluciones, enrolla los cables según el rodillo del extremo que se desee, haciendo desplazar hacia él todos los aros, que con sus cepillos limpian de biomasa adherida tanto la línea de las luminarias como el exterior del tubo. En otros tipos de fotobiorreactores de la técnica anterior, al cabo de un tiempo las superficies quedan saturadas de biomasa y manto, y se reduce la eficiencia de los mismos hasta en un 90 %. Al final del circuito se ventea el oxígeno producido. De acuerdo con otra realización preferida, cada 7 días un cierto porcentaje de la biomasa extraída se retira por cavitación para pasar a los tanques de metanización. En †al caso, se agrega biomasa nueva a los Termentadores en el mismo porcentaje. Todo el circuito de luminarias es preferiblemente de 12V o 24V de tensión, consumiendo menos de 2W por tonelada de oxigeno producido, lo que puede ser fácilmente abastecido por energías alternativas, ya sea eólica, fotovoltaica, metano, mini hidráulica, etc. si las condiciones del lugar lo permiten. Así se mantiene un balance de energía mínimo para un sistema altamente eficiente.
La composición de la biomasa seca resultante dependerá de las características del sistema, de los factores geográficos del lugar de instalación del sistema y de las múltiples especies utilizadas. Una composición tipo por gramo de biomasa con hasta un 4 % máximo de humedad sería la siguiente:
Proteína: 56-71 %
Carbohidratos: 10-17%
Lípidos: 6-14%
Ácidos Nucleicos: 1 -4% Betacarotenos y Omegas 3, 6 y 9
5. -Tanque de metanización o desactivación de la biomasa: La biomasa retirada de la etapa anterior es entonces opcionalmente transferida a un tanque o tanques a tal efecto, que pueden ¡mplementarse en la forma de las plantas denominadas de biogás con objeto de proceder a la metanización o desactivación de la biomasa. En los sistemas de la técnica anterior conocidos, para desactivar una biomasa dada se requiere un período de 10 a 12 días. Por el contrario, en la presente invención, al utilizar el sistema un disparador del crecimiento de los microorganismos y por ende una más eficiente y rápida desactivación/ producción de metano, se consigue la desactivación en un promedio de 7 días en cualquier condición de temperatura y con cualquier biomasa. El disparador es básicamente glicerina orgánica, subproducto muy abundante y de bajo coste, que es originado, por ejemplo, por la producción de biodiesel. Al ser biodegradable, es perfectamente asimilable para la alimentación animal. De este modo la biomasa se desactiva, impidiendo que el metano sea emitido a la atmósfera lentamente, ya que de o†ra forma el sistema sería negativo en la producción de oxigeno dado que 1 Tm de metano equivale a 21 Tm de CO2. Si una tonelada de biomasa vegetal o de microalgas produce una media ponderada de 5500 litros de metano por día, al adicionar el disparador de glicerina grado C, la producción diaria se incrementa en un 32%, pero se desactiva antes. Es decir, la presencia del disparador lo que consigue no es que los microorganismos extraigan más metano de una biomasa dada, lo que hace es extraerlo en menor tiempo.
De este tanque de metanización sale un biogás que es incluso de alta pureza, con un 30% de CO2, que se envía a un separador, obteniéndose un 30% de CO2 orgánico que se envía a los termentadores, y un 70% de metano (ChU), que se envía a una turbina de generación eléctrica especialmente diseñada sólo para uso de ChU, con una eficiencia de conversión superior al 81 % y con muy bajos índices de emisiones, que son reinyectadas al módulo inicial de toma de gases.
De esta forma se logra convertir, de un 100 % de emisiones de CO2, de un 40% a 60% en oxigeno O2, además de abundante energía eléctrica de una fuente sostenible. Esta fuente sostenible se obtiene de producir y quemar el metano (ChU), subproducto de la fermentación o desactivación de la biomasa, antes de convertirla en Algae Meal o harina de algas.
6.- Planta de tratamiento de agua: Finalmente, una vez que el agua es separada de la biomasa en el tanque de cavitación, esta es opcionalmente tratada en una planta de tratamiento y esterilización basada en un tratamiento físico de la misma, sin intervención de productos químicos. Una vez adecuadamente tratada, es posible reinyectarla al circuito de los fermentadores.
En general, en los métodos y sistemas de la invención puede combinarse la luz natural con la luz artificial en cualquier proporción. También puede utilizarse un fotoperíodo fijo o variable, la segunda opción siendo de particular interés en sitios con estaciones muy marcadas de diferentes climas y amplitudes lumínicas. También pueden instalarse opcionalmente los tanques de fermentación en un determinado ángulo con respecto a la rasante, por ejemplo de 45°, y una determinada orientación, para conseguir un mejor seguimiento solar y por ende un incremento adicional en la eficiencia fotosintética. Ejemplos Experimentales
EJEMPLO 1
El presente ejemplo experimental fue realizado en la siguiente infraestructura que reproduce el sistema de la invención. Este sistema contenía los siguientes componentes: - Una piscina o pileta altamente tecnificada (1 ), con ambiente controlado, con una capacidad de 27.000 litros, que hacía las veces de tanque regulador;
Un circuito (2) de máxima producción de CO2 con una longitud total de 6 km que reproducía el esquema de diámetros de tubería e irradiaciones anteriormente indicado, y - Sistema de tuberías con 4 mezcladores verticales y con una capacidad total de
14.000 litros, más un tanque fermentador(3) de 12.000 L de capacidad.
El sistema estaba complementado por un modulo catalítico (4) con planchas de catalizadores de 1 m x 1 m x 0,05m de espesor, con un total de 14 unidades con un peso total de 1 .400 kilogramos. Durante toda la experiencia se utilizó CO2 industrial envasado más CO2 orgánico. Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 2 adjunta en la que los parámetros citados en la misma tienen el siguiente significado:
"Crecimiento biomasa" se refiere al incremento de la concentración de microorganismos en el cultivo con el tiempo, medido en g/L. - "Irradiación" se refiere a la irradiación a la que los microorganismos han sido sometidos, medida en W/cm2;
"Fotoperíodo" se refiere a la cantidad en horas de luz por día a las que los microorganismos han sido sometidos, en horas/día;
"Absorción CO2" se refiere a la cantidad de CO2 absorbido, en gramos de CO2 absorbido por gramo de biomasa; Estos resultados muestran claramente que el método y sistema de la invención implementado son capaces de desarrollar una muy elevada tasa de crecimiento de la biomasa, lo que lleva aparejada una muy elevada tasa de absorción de CO2 y de producción de O2 por gramo de biomasa en las condiciones de trabajo. EJEMPLO 2
Paralelamente, se realizó la misma experiencia del Ejemplo 1 en laboratorio, con un tanque regulador de 400 L de capacidad (1 ), un circuito de absorción (2) de 240 L, un termentador (3) de 180 L y un módulo catalítico (4) con un total de 14 placas o planchas catalizadoras de 1 ,5 kg cada una. Los resultados pueden observarse en la Figura 3 adjunta. En el presente caso, como se puede observar, si bien se aprecian diferencias en los valores numéricos absolutos en comparación con los resultados del Ejemplo 1 , sin embargo se sigue observando en cualquier caso una muy elevada tasa de crecimiento de la biomasa, y en consecuencia una muy elevada eficiencia en la absorción de CO2 por gramo de biomasa en el sistema y método de la invención ensayado. EJEMPLO 3
En el presente se ejemplo se ensayó el efecto, en la etapa de metanización de la biomasa, de la adición de hasta un 7% de glicerol como disparador del proceso. Este glicerol se añadió disuelto en la propia agua del proceso y a la entrada del tanque de metano, y el experimento se llevó a cabo tanto con biomasa obtenida por el método y sistemas de la invención como con estiércol. Los resultados se muestran en la Figura 4 adjunta, de la cual se deduce claramente el efecto multiplicador que la aportación del glicerol produce en la producción media de biogás en mL/hora.
EJEMPLO 4 (Experiencia N° 137A 010.01 1 AMD)
El presente ejemplo experimental se llevó a cabo durante los meses de septiembre de 2010 a enero de 201 1 (verano austral) en fotobiorreactores transparentes con iluminación y fotoperíodo solar más Termentadores con una inclinación de 45° sin dispositivo de seguimiento solar. La radiación solar media ponderada del lugar fue de 1 .150 W/m2 en el tramo horario de 08:00 a 19:00 horas, con un fotoperíodo medio de 12 horas. La capacidad del circuito fue de 1 .350 L, y la siembra inicial de microorganismos fue de 10 g de biomasa por litro de cultivo. La biofamilia de microorganismos aportada al circuito consistió en 12 especies de microalgas (7 anucleadas autótrofas del grupo ciano y 5 nucleadas). El tipo de agua utilizada fue agua dulce con un pH medio en el período de 6,5 y una temperatura media de 19°C. La presión media del circuito fue de 1 ,2 atm y la velocidad de circulación del cultivo en el mismo fue de 0,20 a 0,54 m/s, con un tiempo de permanencia en el mismo de 24 horas. El resto de parámetros de irradiación, presiones, etc, se realizó de acuerdo al esquema anteriormente indicado.
En el global del experimento, se inyectaron 73 kg de CO2 orgánico y 487 kg de CO2 industrial, es decir un total de 560 kg de CO2, obteniéndose al final de dicho período un total de 212 kg de biomasa que contenía un 3-5% de humedad, y 20 kg de otros subproductos, tales como aceites. La tasa de crecimiento de la biomasa fue del 49,37% en el global del período, y el balance de masas obtenido fue de 2,75 kg de CO2 absorbidos por cada kg de biomasa producida. Los resultados de este Ejemplo Experimental y los de los siguientes Ejemplos n° 5 y 6 se muestran en la Figura 5 adjunta, en la que se representan, para cada uno de estos experimentos, los valores de crecimiento de biomasa, absorción de CO2 y emisión de O2. Las mediciones del O2 liberado fueron realizadas en 3 puntos distintos del circuito: en la pileta de estabilización, con un sensor de oxígeno disuelto, marca Rosemount Analytical 54E4-01 ; y en la cubierta de la pileta de estabilización de 2 m3, con sensores ane 900 Plus y ane Auto 5-2, con exactitudes de lectura de ±5% en concentración y de ±0.1 % en volumen ambiente de gas medido.
EJEMPLO 5 (Experiencia N° 137B 010.01 1 AMD)
El presente ejemplo experimental se llevó a cabo durante los meses de marzo de 2010 a septiembre de 2010 (otoño e invierno austral) en fotobiorreactores transparentes con iluminación y fotoperíodo solar, más Termentadores con una inclinación de 45° y con dispositivo biaxial de seguimiento solar. La radiación solar media ponderada del lugar fue de 740 W/m2 durante 7 horas diarias, si bien el fotoperíodo se extendió a 14 horas diarias gracias a la aportación de la iluminación artificial. La capacidad del circuito fue de 1 .350 L, y la siembra inicial de microalgas fue de 10 g de biomasa por litro de cultivo. La biofamilia de microorganismos aportada al circuito consistió en 12 especies de microalgas (7 anucleadas autótrofas del grupo ciano y 5 nucleadas). El tipo de agua utilizada fue agua dulce con un pH medio en el período de 6,0 y una temperatura media del agua de 16°C. La presión media del circuito fue de 1 ,3 atm y la velocidad de circulación del cultivo en el mismo fue de 0,27 a 0,90 m/s, con un tiempo de permanencia de 24 horas.
En el global del experimento se inyectaron 195,7 kg de CO2 orgánico y 805 kg de CO2 industrial, es decir un total de 1000,7 kg de CO2, obteniéndose al final de dicho período un total de 331 kg de biomasa seca que contenía un 3-5% de humedad, además de 20, 16 kg de otros subproductos, tales como aceites. La tasa de crecimiento de la biomasa fue del 78,13% en el global del período, y el balance de masas obtenido fue de 2,97 kg de CO2 absorbido por cada kg de biomasa producida. EJEMPLO 6 [Experiencia 138/010 AMD)
El presente ejemplo experimental se realizó en la misma instalación de los Ejemplo 4 y 5, pero se desarrolló a lo largo de un año completo, de marzo 2010 a marzo 201 1. El fotoperíodo medio fue de 19 horas y se sembraron inicialmente 12 especies de microalgas (7 anucleadas autótrofas del grupo ciano y 5 nucleadas) en una concentración de 5 g de biomasa por litro de cultivo. La biofamilia de microorganismos aportada al circuito consistió en 12 especies de microalgas (7 anucleadas autótrofas del grupo ciano y 5 nucleadas). El tipo de agua utilizada fue agua dulce con un pH medio en el período de 5,5 y una temperatura media del agua de 14°C. La velocidad de circulación del cultivo en el mismo fue de 0,54 a 1 ,3 m/s, con un tiempo de permanencia de 24 horas.
En el global del experimento se inyectaron 2.593 kg de CO2 industrial, obteniéndose al final de dicho período un total de 720,2 kg de biomasa seca, además de 45,93 kg de otros subproductos, tales como aceites. La tasa de crecimiento de la biomasa fue del 2,8% por día (valor medio ponderado), y el balance de masas obtenido fue de 3,6 kg de CO2 absorbido por cada kg de biomasa producida. Los resultados de los 3 últimos Ejemplos experimentales demuestran que los sistemas y métodos de la invención no son simples sistemas y métodos de mitigación de CO2, sino que son sistemas y métodos con una elevada tasa de captación de CO2 y de emisión de O2, emisión que se produce como resultado de la captación y digestión del CO2 por organismos unicelulares acuáticos inducidos para ello y con una eficiencia del orden del 70% sobre el total del CO2 digestado. Es†a tecnología es aplicable a cualquier fuente de emisión de CO2, aunque es particularmente apta para fuentes altamente contaminantes tales como industrias cementeras, petroquímicas, acerías, petróleo, de generación de energía eléctrica, e incluso su versatilidad permite su utilización en ciudades, autopistas o túneles, donde pueden captar una amplia variedad de gases.

Claims

REIVINDICACIONES
1 ) Un método para purificar aire contaminado que contiene CO2 por medio de microorganismos, que comprende las etapas de: a) recepción de aire que contiene CO2 procedente de una fuente de aire contaminado; b) catálisis física, en la cual el aire que contiene CO2 se hace pasar por placas que comprenden sales de calcio y/o magnesio, en las cuales una parte del CO2 del aire queda fijado en forma de carbonatos de calcio y/o magnesio; c) fermentación, en la cual el aire procedente de la etapa b) se hace pasar a través de un cultivo que comprende una biofamilia de microorganismos, en el que al menos parte del CO2 remanente en el aire queda en disolución; caracterizado porque el método comprende además la etapa de: d) máxima producción de O2, en la que el cultivo de la etapa c) que contiene CO2 en disolución y la biofamilia de microorganismos citada se hace pasar por un circuito en el que es sometido simultáneamente a una serie de presiones en sucesión y a irradiación con una serie de frecuencias del espectro luminoso también en sucesión, provocándose una disminución del contenido de CO2 en el cultivo por absorción y/o digestión de dicho CO2 en los microorganismos y produciendo O2.
2) Método según la reivindicación 1 en el que, en la etapa d), las presiones a la que es sometido el cultivo en sucesión están entre 0,01 atm y 5,5 atm.
3) Método según las reivindicaciones 1 ó 2 en el que, en la etapa d), las frecuencias del espectro luminoso a las que es sometido el cultivo en sucesión pasan por violeta, azul, verde, amarilla, naranja y roja, retornando de nuevo a violeta, y su intensidad de irradiación está entre 5 y 50 W/cm2.
4) Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la serie de presiones a la que es sometido el cultivo en sucesión se consigue haciéndolo pasar por tuberías de distintos diámetros.
5) Método según la reivindicación 4, en el que el cultivo se hace pasar por tuberías que tienen un diámetro entre 25 y 750 mm.
6) Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 anteriores, en el que el cultivo es sometido a la siguiente secuencia de presiones y radiaciones lumínicas en sucesión: una primera sección en la que el cultivo es irradiado con radiaciones lumínicas de frecuencias entre 400 y 520 nm a una intensidad de irradiación entre 30 y 50 W/cm2, y está sometido a una presión de 1 ,8 a 5,5 atm, permaneciendo en el mismo durante un tiempo entre 10 minutos y 24 horas; una segunda sección en la que el cultivo es irradiado con radiaciones lumínicas de frecuencias entre 521 y 580 nm a una intensidad de irradiación entre 10 y 20 W/cm2, y está sometido a una presión entre 1 ,0 y 1 ,79 atm, permaneciendo en el mismo durante un tiempo entre 3 minutos y 24 horas; - una tercera sección en la que el cultivo es irradiado con radiaciones lumínicas de frecuencias entre 581 y 620 nm a una intensidad de irradiación entre 21 y 31 W/cm2, y está sometido a una presión entre 0,5 y 1 ,25 atm, permaneciendo en el mismo durante un tiempo de 3 minutos a 24 horas; una cuarta sección en la que el cultivo es irradiado con radiaciones lumínicas de frecuencias entre 621 y 750 nm a una intensidad de irradiación entre 30 y 5 W/cm2, y está sometido a una presión entre 0,01 y 1 ,249 atm, permaneciendo en el mismo durante un tiempo de 1 minuto a 24 horas.
7) Método según la reivindicación 6, en el que entre cada sección y la siguiente, el cultivo es sometido a una etapa de oscuridad en la que no es irradiado. 8) Método según la reivindicación 7 en el que cada etapa de oscuridad tiene una duración aproximada de media hora.
9) Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 anteriores, en el que la secuencia de irradiaciones y presiones se aplica al cultivo en fotoperíodos de 14 a 18 horas diarias.
10) Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que, en la etapa c), la biofamilia de microorganismos presente en el cultivo comprende microalgas seleccionadas de las clases clorofíceas, cianofíceas, criptofíceas, diatomeas, y/o esporas de algas pardas laminares, rojas de orden gigartinales o verdes de orden ulvales, en cualquier combinación entre ellos.
1 1 ) Método de acuerdo con la reivindicación 10 anterior en el que, en la etapa c), el cultivo es irradiado con una radiación lumínica que tiene una longitud de onda de entre 400 a 475 nm y una intensidad de 20 W/cm2 a 38 W/cm2.
12) Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que, en la etapa c), el cultivo comprende además un inhibidor orgánico seleccionado entre un alcohol, una cetona o un ácido carboxílico, en cualquier combinación entre ellos. 13) Método de acuerdo con la reivindicación 12 en el que el inhibidor orgánico se selecciona de etanol, acetona, ácido propanoico o ácido pentanoico, en cualquier combinación entre ellos.
14) Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 1 a 13 en el que, en la etapa c), los microorganismos son irradiados además, durante 3 segundos por cada minuto, con una radiación lumínica adicional que tiene una longitud de onda de aproximadamente 200 nm y una intensidad entre 5 y 15 W/cm2 sin superar 3 -106 eV de energía por fotón.
15) Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que, en la etapa c), se aporta al cultivo una composición de nutrientes con la siguiente formulación: - Nitrógeno gaseoso (N2), de 1% a 30%;
Ácido Nítrico, de 1% a 30%;
Cloruro de Amonio (NH4 CI), de 1 % α 30%; - Óxido de fósforo (P2O5) , de 1 % α 30%;
- Nitrato de Amonio (N H4NO3), de 1 % a 30%;
- Oxido de Potasio ( 2O), de 1 % a 40%;
- Oxido de Magnesio (MgO), de 1% a 30%;
- Trióxido de Azufre (SO3) , de 1 % a 40% ;
- Oxido de Calcio (CaO), de 1 % a 50%;
- Boro (B) Total, de 0,01 % a 5%;
- Hierro (Fe) Total, de 0,01 % a 7%;
- Zinc (Zn) Total, de 0,01 % a 30%; siendo el resto agua.
16) Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el tiempo de residencia de los microorganismos en la etapa c) es de 4 a 6 días, y cada 5 días se retira de los mismos un porcentaje variable del 10% al 40% de los microorganismos que son re-inyectados al comienzo de la etapa c).
17) Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que, cada determinado número de días, al menos una parte de los microorganismos es retirada del circuito de máxima producción de 02 y transferida a una etapa adicional de: e) metanización, en la que los microorganismos son desactivados mediante un procedimiento de oxidación fermentativa, obteniéndose una biomasa desactivada mezclada con agua y un biogás que comprende CO2 y metano.
18) Método según la reivindicación 17, en el que la oxidación fermentativa se lleva cabo utilizando un inductor que acelera el proceso que es el glicerol.
19) Método según las reivindicaciones 17 ó 18, en el que el biogás obtenido en la etapa de metanización tiene una composición de aproximadamente 30-40% de CO2 y 60- 70% de metano, el cual puede ser utilizado para generar energía eléctrica mediante una turbina.
20) Método según una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19 anteriores, en el que el agua obtenida en la etapa de metanización es esterilizada y devuelta al circuito, a la etapa de fermentación.
21 ) Sistema para purificar aire contaminado que contiene CO2 mediante microorganismos, que comprende los siguientes elementos: a) un sistema de recepción (1 ) que recibe el aire que contiene CO2 procedente de una fuente de aire contaminado; b) unas placas (2) que contienen sales de calcio y/o magnesio, destinadas a fijar una parte del CO2 del aire recibido en los sistemas de recepción (1 ) en forma de carbonatos de calcio y/o magnesio; c) unos tanques (3) de fermentación, los cuales contienen un cultivo que comprende una familia de microorganismos, destinado a hacer pasar por el mismo el aire procedente de la etapa b); caracterizado porque el sistema comprende además: d) un circuito (4) de máxima producción de O2, que comprende un conjunto de tuberías destinado a hacer pasar por ellas el cultivo de la etapa c), tuberías que comprenden unos medios de presión capaces de someter el cultivo a una serie de presiones en sucesión, así como unos medios de irradiación lumínica capaces de irradiar el cultivo con una serie de frecuencias del espectro luminoso también en sucesión.
22) El sistema de acuerdo con la reivindicación 21 , en el que los medios de presión destinados a someter el cultivo a una serie de presiones en sucesión incluyen secciones de tuberías de distintos diámetros.
23) El sistema de acuerdo con la reivindicación 22, en el que las tuberías tienen un diámetro entre 25 y 750 mm. 24) El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 21 a 23, en el que los medios de irradiación lumínica comprenden una fuente de radiación lumínica que es capaz de irradiar el cultivo con frecuencias del espectro luminoso que pasan por violeta, azul, verde, amarilla, naranja y roja, retornando a violeta, con una intensidad entre 5 y 50 W/cm2.
25) El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 21 a 24, en el que el sistema de recepción (1 ) contiene unos medios que son capaces de pre-enfriar los gases recibidos hasta una temperatura entre 100 y 200°C.
26) El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 21 a 25 en el que las placas (2) que contienen sales de calcio y/o magnesio tienen una multiplicidad de agujeros que las atraviesan diametralmente.
27) El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 21 a 26 en el que las placas (2) que contienen sales de calcio y/o magnesio tienen la siguiente composición:
- 10% a 30% de CaO;
- 5% a 25 % de Carburo Cálcico (CaC2);
- 15% a 25% de Hidróxido Cálcico Ca (OH)2;
- 10% a 50% de Carbonato Cálcico (CaCOs);
- 5% a 50% de Magnesio (Mg)
5% a 15% de limadura de aluminio (Al).
28) El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 21 a 27, en el que la biofamilia de microorganismos presentes en el cultivo contenido en los tanques (3) de fermentación comprende microalgas de las clases clorofíceas, cianofíceas, criptofíceas, diatomeas, y/o esporas de algas pardas laminares, rojas de orden gigartinales o verdes de orden ulvales, en cualquier combinación entre las mismas.
29) El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 21 a 28 en el que el cultivo comprende además un inhibidor orgánico seleccionado de etanol, acetona, ácido propanoico o ácido pentanoico, en cualquier combinación entre ellos.
30) El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 21 a 29 anteriores que comprende además unos tanques (5) de metanización destinados a desactivar los microorganismos mediante un procedimiento de oxidación fermentativa, del cual se obtiene una biomasa desactivada mezclada con agua y un biogás que contiene CO2 y metano.
31 ) El sistema de acuerdo con la reivindicación 30 que comprende además una turbina (6) destinada a obtener energía eléctrica a partir del metano obtenido en los tanques (5) de metanización.
32) El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 30 ó 31 anteriores que comprende además un sistema de esterilización (7) destinado a esterilizar el agua obtenida en los tanques de metanización (5).
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