WO2014044883A1 - Fotobiorreactor combinado tipo air-lift para la producción de biomasa - Google Patents

Fotobiorreactor combinado tipo air-lift para la producción de biomasa Download PDF

Info

Publication number
WO2014044883A1
WO2014044883A1 PCT/ES2013/070521 ES2013070521W WO2014044883A1 WO 2014044883 A1 WO2014044883 A1 WO 2014044883A1 ES 2013070521 W ES2013070521 W ES 2013070521W WO 2014044883 A1 WO2014044883 A1 WO 2014044883A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
photobioreactor
duct
recirculation duct
diameter
culture
Prior art date
Application number
PCT/ES2013/070521
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Antonio Marcilla Gomis
María Del Remedio HERNÁNDEZ FÉREZ
Francisco Javier VALDÉS BARCELÓ
Lucía CATALÁ ESTEVE
Original Assignee
Universidad De Alicante
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universidad De Alicante filed Critical Universidad De Alicante
Publication of WO2014044883A1 publication Critical patent/WO2014044883A1/es

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/06—Nozzles; Sprayers; Spargers; Diffusers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/06—Nozzles; Sprayers; Spargers; Diffusers
    • C12M29/08—Air lift

Definitions

  • the present invention can be framed within the field of photobioreactor design for the production of biomass, specifically, from microalgae.
  • Microalgae are unicellular beings present in a multitude of habitats with a high reproductive capacity. They present a wide variety of shapes and sizes constituting the first organisms with photosynthetic capacity.
  • Microalgae can be used as raw material for the generation of biofuels.
  • the lipids contained in the microalgae can be used to produce biodiesel, through a transesterification process. Modifications in the culture conditions of the different species of these microorganisms favors the accumulation of lipids, thus allowing to maximize the amount of biodiesel generated through them.
  • the energy stored in the bonds that make up the structure of photosynthetic organisms is released when these links are broken by any means.
  • these bonds can be broken and the biomass can be converted into energy, such as through direct combustion.
  • Another possibility is the pyrolysis of biomass, a process that, among other products, leads to the obtaining of a liquid called bio-fuel that constitutes a type of biofuel.
  • This bio-fuel It is a type of renewable and biodegradable fuel that is cleaner than fossil fuel.
  • the microalgae have a high photosynthetic efficiency, so that their growth is much faster than that of the upper plants constituting a very interesting raw material for the generation of bio-fuel.
  • microalgae In addition to being a possible source for the production of biofuels, microalgae can be used to obtain various substances of great value, such as proteins, biopolymers, pigments (carotenes), polyunsaturated fatty acids, vitamins, antibiotics, etc. The content of these substances in the microalgae depends on the cultivated species. The following table shows some of the applications of various species of microalgae:
  • Photobioreactors can be used to carry out microalgae culture.
  • Vertical photobioreactors are compact and can be handled relatively easily, being the most suitable option for the production of microalgal biomass in large quantities.
  • FIG. ES 2326296 Another embodiment of vertical photobioreactor is shown in the invention ES 2326296 where a submersible reactor is described, a fact that allows a control of the temperature of the crop economically. But it presents problems in terms of complexity and cost, since it is very complex and therefore expensive to build. They also have to control gases, such as 0 2 , since being completely waterproof, it accumulates.
  • ES 2351566 the operation of a vertical air-lift type reactor is detailed where the reactor is formed by a transparent cylindrical vertical body that has an outlet in the lower part connected to a recirculation duct that flows into an inlet located at the top of the reactor.
  • the injection of air from the bottom leads to the generation of a vortex inside the reactor.
  • the type of agitation used results in the generation of an intense eddy whose vertex It is located near the exit duct. This movement of the crop prevents to a certain extent the incrustation of the culture in the walls of the reactor, fact that hinders the passage of the light through the crop especially when high microalgae densities are reached.
  • This type of system has multiple advantages, such as an improvement in nutrient dissolution and ensures light-dark periods of microalgae in crops with high densities; it presents a better agitation of the culture medium than the open systems and facilitates a better control of the culture conditions (pH, temperature, etc.).
  • the present invention shows a modification of an air-lift photobioreactor by combining the mechanism of a bubble column and an air lift.
  • microalgae For the correct growth of the microalgae it is necessary to provide light that allows the existence of illuminated areas and shaded areas for the photosynthesis cycle to take place. Similarly, the photobioreactor used to carry out the cultivation of these microorganisms must ensure proper agitation so that there is an adequate exchange of microalgae between both areas.
  • the present invention describes a cylindrical vertical photobioreactor with flat or conical bottom, preferably flat, of transparent material that meets the optimal conditions of PAR light transmission (photosynthetically active radiation).
  • the photobioreactor can be closed by an upper cover, which must also be transparent to allow the passage of light, which prevents dust, insects and other particles from entering the same.
  • the photobioreactor has, at a minimum, an internal recirculation duct located at the bottom of it, or along the photobioreactor, which results in the generation of a multitude of bubbles that ascend through the photobioreactor resulting in a swirl formed by rising bubbles.
  • the height of the photobioreactor can be between 30 and 600 cm, preferably between 150 and 400 cm, and the diameter can vary between 5 and 70 cm, preferably between 15 and 45 cm.
  • the recirculation duct can have perforations that must be of sufficient size to circulate all the air introduced in the same way, without preferential passage thereof through any of them. In the perforations of the recirculation duct there is a loss of pressure that causes the gas-liquid mixture to rupture resulting in the generation of bubbles (Gas liquid inlet distributor, United States Patent 3785779).
  • the supply of light, air and, if necessary, C0 2 is necessary to adequately control the pH of the culture medium and not reach values where the stability of the microorganisms contained in the photobioreactor is compromised.
  • the injection of air and C0 2 is carried by the bottom of the bioreactor via the recirculation duct placed at the bottom of the photobioreactor.
  • the amount of C0 2 injected is controlled through a pH probe with internal temperature compensation that sends a signal to a pH controller that acts on a solenoid solenoid valve with on / off control with respect to a setpoint with a fixed hysteresis.
  • Figure 1 Scheme of the operation of the photobioreactor with the first configuration object of the invention where the photobioreactor has three non-perforated recirculation ducts located at the bottom of the photobioreactor. The base detail is also included.
  • FIG. 1 Scheme of the operation of the photobioreactor with the second configuration object of the invention where the photobioreactor has a recirculation duct with multiple perforations equally spaced and alternative with two ducts distributed along the photobioreactor.
  • Gas inlet duct 7, which can be air or a combination of air + C0 2 .
  • Heat exchanger 9 to maintain the optimum temperature for the development of microorganisms.
  • Cover 10 that can be used to cover the upper part of the vertical body in a cylindrical shape 1 and which incorporates as a control system the pH meter 2.
  • the cover preferably, should not be sealed to allow the aeration of said photobioreactor.
  • the first of the possible configurations is a modification of the air lift in which the culture + gas mixture, instead of being introduced at the top as in the conventional air lift (ES 2351566), is introduced through a non-perforated recirculation duct located at the bottom.
  • two aspects can be improved mainly: on the one hand, the use of the C0 2 supplied, since the gas will ascend to the top of the photobioreactor, thus having more time for the C0 2 to dissolve in the crop , and on the other hand, having better crop agitation, the temperature, pH, and nutrient concentration gradients are smaller and the light transfer is better.
  • FIG. 2a Another configuration corresponds to that described above where the part of the recirculation duct that is in contact with the culture is perforated ( Figure 2a).
  • the perforations of the internal recirculation duct allow bubbles to be introduced into the culture that rise forming a swirl.
  • the culture that has passed through the perforated internal recirculation duct is again incorporated into the photobioreactor through the outlet of the perforated internal recirculation duct.
  • the perforations must have a size such that the inlet flow of the bubbles in the culture is the same in all of them, without a preferential gas outlet.
  • the diameter of the perforation must be calculated taking into account the species of microalgae used, the diameter of the photobioreactor, the number of perforations and the gas flow rate.
  • the diameter of the perforation is usually of the order of the millimeter.
  • the number of perforations must be sufficient so that the output of the gas flowing through it is more uniform in the photobioreactor section. In this way, a more homogeneous agitation is achieved than in the first configuration, since the bubbles are distributed throughout the diameter of the photobioreactor and not only at one point, as in the first configuration.
  • C0 2 is introduced through the same conduit by which the air located at the bottom of the photobioreactor is introduced, a fact that allows to increase the residence time of C0 2 in the culture medium and, to obtain a better use of it, and also prevents the deposition of microalgae on the walls of the reactor when the crop reaches high concentrations, which would make it difficult for the light to enter the crop.
  • the fouling of the walls of the photobioreactor is lower, a fact that favors a greater use of light when the crop reaches high concentrations.
  • the absorbance values achieved in Nannochloropsis oculata microalgae culture using a photobioreactor equal to the following are detailed below. described in this invention (Table 2).
  • Table 2 the absorbance values achieved for this same species using a conventional air-lift type reactor have been included.
  • An air-lift type reactor has been selected for comparison with that shown in this invention since the mechanism thereof includes an air-lift type photobioreactor.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

La invención describe un fotobiorreactor combinado tipo air-lift para la producción de biomasa que comprende un cuerpo vertical de forma cilíndrica, un medidor de pH con compensación de temperatura,un conducto de salida del cultivo, un conducto de entrada de gas adaptado para la circulación de gases, un conducto que conecta la salida de cultivo, la entrada del gas y la entrada del conducto de recirculación interno y una tapa. El fotobiorreactor se caracteriza por que presenta un conducto de recirculación interno ubicado en el fondo que comprende una salida del conducto de recirculación interno y una entrada del conducto de recirculación interno que permite combinar los efectos air-lift y columna de burbujas.

Description

FOTOBIORREACTOR COMBINADO TIPO AIR-LIFT PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOMASA
DESCRIPCIÓN
Fotobiorreactor combinado tipo air-lift para la producción de biomasa.
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se puede enmarcar dentro del campo del diseño de fotobiorreactores para la producción de biomasa, en concreto, a partir de microalgas.
ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR
Las microalgas son seres unicelulares presentes en multitud de hábitats con una elevada capacidad de reproducción. Presentan una amplia variedad de formas y tamaños constituyendo los primeros organismos con capacidad fotosintética.
El aumento en los niveles de C02 en la atmósfera como consecuencia del consumo de combustibles fósiles ha llevado a buscar combustibles alternativos. Las microalgas pueden emplearse como materia prima para la generación de biocombustibles. Por un lado, los lípidos contenidos en la microalga pueden emplearse para producir biodiesel, mediante un proceso de transesterificación. Modificaciones en las condiciones de cultivo de las distintas especies de estos microorganismos favorece la acumulación de lípidos permitiendo de este modo maximizar la cantidad de biodiesel generado a través de los mismos.
Por otro lado, la energía almacenada en los enlaces que componen la estructura de los organismos fotosintéticos se libera cuando dichos enlaces se rompen por cualquier medio. Existen diversos métodos por los cuales pueden romperse esos enlaces y la biomasa puede ser convertida en energía como puede ser mediante una combustión directa de la misma. Otra posibilidad consiste en la pirólisis de la biomasa, proceso que, entre otros productos, conduce a la obtención de un líquido llamado bio-fuel que constituye un tipo de biocombustible. Este bio-fuel es un tipo de combustible renovable y biodegradable más limpio que el combustible fósil. Las microalgas presentan una alta eficiencia fotosintética, por lo que su crecimiento es mucho más rápido que el de las plantas superiores constituyendo una materia prima muy interesante para la generación de bio-fuel.
Además de ser una posible fuente para la producción de biocombustibles, las microalgas pueden emplearse para la obtención de diversas sustancias de gran valor, tales como proteínas, biopolímeros, pigmentos (carotenos), ácidos grasos poliinsaturados, vitaminas, antibióticos, etc. El contenido de estas sustancias en las microalgas depende de la especie cultivada. En la siguiente tabla se muestran algunas de las aplicaciones de diversas especies de microalgas:
Tabla 1. Ejemplos de aplicaciones de distintas especies de microalgas
Figure imgf000003_0001
Para llevar a cabo el cultivo de microalgas pueden emplearse distintos tipos de fotobiorreactores. Los fotobiorreactores verticales son compactos y pueden ser manejados de forma relativamente sencilla constituyendo la opción más adecuada para la producción de biomasa microalgal en grandes cantidades.
Se han descrito diversas configuraciones de reactores verticales en la bibliografía empleados en el cultivo de diversas especies de microalgas. De esta forma existen estudios en los cuales se emplean reactores de columna de burbujas o tipo air-lift con tubo de aspiración para el cultivo de la microalga Phaeodactylum tricornutum (Asterio Sánchez Mirón et al. Growth and biochemical characterization of microalgal biomass produced in Bubble column and airlift photobioreactors: Studies in fed-batch culture, Enzyme and Microbial Technology 31 , 1015-1023, 2002; Shear stress tolerance and biochemical characterization of Phaeodactylum tricornutum in quasi steady-state continuous culture in outdoor photobioreactors, Biochemical Engineering Journal 16, 287- 297, 2003), obteniéndose resultados muy similares en el caso de emplear cualquiera de las dos configuraciones de reactor comentadas.
Se pueden encontrar, además, varias invenciones en las cuales se muestran diferentes configuraciones de fotobiorreactores para el cultivo de microorganismos. En la invención ES 2071572 se describe un dispositivo airlift con recirculación interna y tubos concéntricos constituido por módulos independientes para el cultivo de microorganismos fotosintéticos. El inconveniente que presenta este reactor es que el sistema airlift que emplean consiste en un burbujeador de vidrio poroso de forma cilindrica situado vertical mente, por tanto, el remolino que forman las burbujas puede ser menor que el diámetro interno del tubo concéntrico interior y las paredes podrían quedar cubiertas con las microalgas impidiendo de este modo el paso de la luz.
Otra modalidad de fotobiorreactor vertical se muestra en la invención ES 2326296 donde se describe un reactor sumergible, hecho que permite un control de la temperatura del cultivo de forma económica. Pero presenta problemas en cuanto a la complejidad y al coste, ya que es muy complejo y, por tanto, costoso de construir. Además tienen que controlar gases, como el 02, puesto que al estar totalmente estanco, éste se acumula.
En la invención ES 2351566 se detalla el funcionamiento de un reactor vertical tipo air-lift donde el reactor está formado por un cuerpo vertical transparente de forma cilindrica que presenta una salida en la parte inferior conectada a un conducto de recirculación que desemboca en una entrada situada en la parte superior del reactor. La inyección de aire por la parte inferior da lugar a la generación de un vórtice en el interior del reactor. En este caso, el tipo de agitación empleado da lugar a la generación de un remolino intenso cuyo vértice se sitúa en las proximidades del conducto de salida. Este movimiento del cultivo evita en cierta medida la incrustación del cultivo en las paredes del reactor, hecho que dificulta el paso de la luz a través del cultivo sobre todo cuando se alcanzan densidades de microalga elevadas. Este tipo de sistema presenta múltiples ventajas, como es el hecho de una mejora en la disolución de nutrientes y asegura los periodos de luz-oscuridad de las microalgas en cultivos con altas densidades; presenta una mejor agitación del medio de cultivo que los sistemas abiertos y facilita un mejor control de las condiciones de cultivo (pH, temperatura, etc.).
Por todo esto resulta muy interesante disponer de un fotobiorreactor que soluciona aspectos tales como el ensuciamiento de las paredes del reactor en aquellas zonas donde el remolino no tiene efecto o un mejor aprovechamiento del C02 suministrado al cultivo.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención muestra una modificación de un fotobiorreactor tipo air-lift mediante la combinación del mecanismo de una columna de burbujas y un air- lift.
Para el correcto crecimiento de las microalgas es necesario suministrar luz que permita la existencia de zonas iluminadas y zonas en sombra para que se lleve a cabo el ciclo de fotosíntesis. Del mismo modo, el fotobiorreactor empleado para llevar a cabo el cultivo de estos microorganismos debe asegurar una correcta agitación para que se produzca un intercambio adecuado de microalgas entre ambas zonas.
En base a tales requisitos, la presente invención describe un fotobiorreactor vertical de forma cilindrica con fondo plano o cónico, preferentemente plano, de material transparente que reúne las condiciones óptimas de transmisión de luz PAR (radiación fotosintéticamente activa). El fotobiorreactor puede estar cerrado por una tapa superior, que debe ser también transparente para permitir el paso de la luz, que evita que polvo, insectos y otras partículas se introduzcan en el mismo. Además, el fotobiorreactor tiene, como mínimo, un conducto de recirculación interno situado en el fondo del mismo, o a lo largo del fotobiorreactor, que da lugar a la generación de multitud de burbujas que ascienden por el fotobiorreactor dando lugar a su vez a un remolino formado por burbujas en ascensión.
La altura del fotobiorreactor puede estar comprendida entre 30 y 600 cm, preferiblemente entre 150 y 400 cm, y el diámetro puede variar entre 5 y 70 cm, preferiblemente entre 15 y 45 cm.
El conducto de recirculación puede tener perforaciones que deben tener un tamaño suficiente como para que por todas circule el aire introducido de la misma forma, sin paso preferente del mismo por ninguna de ellas. En las perforaciones del conducto de recirculación se produce una pérdida de presión que provoca la ruptura de la mezcla gas-líquido dando lugar a la generación de burbujas (Gas liquid inlet distributor, United States Patent 3785779).
Uno de los aspectos importantes que hay que tener en cuenta para un buen diseño del conducto de recirculación es cuan de homogéneo se distribuye el gas a lo largo de los orificios del mismo. La uniformidad en la distribución del gas en un sistema de estas características se puede alcanzar si la presión del fluido en la tubería permanece constante a lo largo de la misma.
Para el crecimiento de las microalgas es necesario el suministro de luz, aire y en su caso C02 para controlar adecuadamente el pH del medio de cultivo y que no alcance valores donde se ponga en peligro la estabilidad de los microorganismos contenidos en el fotobiorreactor. La inyección del aire y del C02 se realiza por la parte inferior del fotobiorreactor, a través del conducto de recirculación colocado en el fondo del fotobiorreactor. La cantidad de C02 inyectada es controlada a través de una sonda de pH con compensación interna de temperatura que envía una señal a un controlador de pH que actúa sobre una electroválvula de solenoide con control on/off respecto a una consigna con una histéresis fijada. Las principales ventajas del fotobiorreactor que se describe en esta invención frente a otros ya existentes son:
• Proporciona una agitación mucho más eficaz que un fotobiorreactor formado por una columna de burbujas o uno tipo air-lift puesto que combina ambos efectos. Por un lado, en un fotobiorreactor tipo air-lift, la agitación del cultivo tiene lugar porque en su interior se produce un vórtice como consecuencia de la introducción de gas a través de un conducto. En el caso de un fotobiorreactor formado por una columna de burbujas, el intercambio de las microalgas entre las zonas con luz y las zonas con oscuridad se produce de forma más rápida que en el caso del air-lift puesto que ambas zonas no se encuentran tan diferenciadas como en el reactor tipo air-lift. En el fotobiorreactor descrito en la presente invención, se suman los efectos de ambos tipos de reactores por lo que la agitación alcanzada es más efectiva y el intercambio de microalgas entre zonas de luz y de oscuridad es más rápido produciéndose una mayor penetración de la luz en el cultivo.
• Evita la deposición de microalgas en las paredes del fotobiorreactor cuando el cultivo alcanza concentraciones elevadas. En el caso de la agitación producida por el vórtice generado al emplear un reactor tipo air- lift, el efecto de agitación producido es mucho más evidente en la parte superior del reactor, mientras que en la inferior las paredes del mismo tienden a oscurecerse debido a la deposición de microalgas en las mismas, hecho que dificulta el paso de luz al cultivo.
• Consigue una mejor transferencia de luz al cultivo dado que las burbujas generadas permiten una agitación directa del cultivo que dan lugar a una expansión del mismo.
• Mejor aprovechamiento del C02. La inyección de C02 para mantener el pH del cultivo entre unos valores determinados se realiza por el mismo conducto por el que se introduce el aire situado en la base del fotobiorreactor, hecho que permite aumentar el tiempo de residencia del C02 en el medio de cultivo y obtener un mejor aprovechamiento del mismo puesto que debe atravesar todo el cultivo hasta alcanzar la superficie del mismo. DESCRIPCIÓN BREVE DE LOS DIBUJOS
Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, tres esquemas en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1. Esquema del funcionamiento del fotobiorreactor con la primera configuración objeto de la invención donde el fotobiorreactor dispone de tres conductos de recirculación no perforados situados en el fondo del fotobiorreactor. Además se incluye el detalle de la base.
Figura 2. Esquema del funcionamiento del fotobiorreactor con la segunda configuración objeto de la invención donde el fotobiorreactor dispone de un conducto de recirculación con múltiples perforaciones igualmente espaciadas y alternativa con dos conductos distribuidos a lo largo del fotobiorreactor.
Figura 3. Comparación de los perfiles de pH empleando el fotobiorreactor descrito en esta invención y un fotobiorreactor tipo air-lift convencional.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE MODOS DE REALIZACIÓN
Para una mejor comprensión de la invención se pasará a hacer la descripción detallada de las partes que componen las distintas configuraciones que se presentan.
Según se aprecia en las figuras 1 y 2, las distintas configuraciones del fotobiorreactor de la invención se componen de los siguientes elementos:
• Cuerpo vertical de forma cilindrica 1 , con altura comprendida entre 150 y 400 cm y un diámetro comprendido entre 15 y 45 cm, construido en un material transparente, que puede ser tanto rígido como flexible que reúne las condiciones óptimas de transmisión de luz PAR. El fondo sobre el que se apoya el cuerpo del fotobiorreactor puede ser cónico o plano, preferiblemente plano. • Medidor de pH 2 con compensación de temperatura.
• Conducto de recirculación interno 3 ubicado en el fondo.
• Salida del conducto de recirculación interno 4.
• Entrada del conducto de recirculación interno 5.
· Conducto de salida del cultivo 6.
• Conducto de entrada de gas 7, que puede ser aire o una combinación aire+C02.
• Conducto que conecta la salida de cultivo, la entrada del gas y la entrada del conducto de recirculación interno 8.
· Intercambiador de calor 9 para mantener la temperatura óptima para el desarrollo de los microorganismos.
• Tapa 10 que puede usarse para cubrir la parte superior del cuerpo vertical de forma cilindrica 1 y que incorpora como sistema de control el medidor de pH 2. La tapa, preferiblemente, no debe ser estanca para permitir la aireación de dicho fotobiorreactor.
A continuación se detalla el funcionamiento de las distintas alternativas al fotobiorreactor de tipo arlift:
• La primera de las configuraciones posibles es una modificación del air-lift en el que la mezcla cultivo+gas, en lugar de ser introducida en la parte superior como sucede en el air-lift convencional (ES 2351566), se introduce a través de un conducto de recirculación no perforado situado en el fondo. De este modo, se consiguen mejorar principalmente dos aspectos: por un lado, el aprovechamiento del C02 suministrado, puesto que el gas va a ascender hasta la parte superior del fotobiorreactor, teniendo así más tiempo para que se disuelva el C02 en el cultivo, y por otro lado, al tener una mejor agitación del cultivo, los gradientes de temperatura, pH, y concentración de nutrientes son menores y la transferencia de luz es mejor.
· Una alternativa consiste en colocar diversos conductos de recirculación no perforados a lo largo del fotobiorreactor o en el fondo del mismo (Figura 1). Al colocar más conductos de recirculación se consigue una agitación mayor y más homogénea a lo largo del fotobiorreactor, solucionando de esta forma, problemas que tienen lugar en el fotobiorreactor de tipo air-lift, como el ensuciamiento de las paredes del mismo.
Otra configuración corresponde con la descrita anteriormente donde la parte del conducto de recirculación que está en contacto con el cultivo se perfora (Figura 2a). Las perforaciones del conducto de recirculación interno, permiten introducir burbujas en el cultivo que ascienden formando un remolino. El cultivo que ha atravesado el conducto de recirculación interno perforado se incorpora nuevamente al fotobiorreactor por la salida del conducto de recirculación interno perforado. Las perforaciones deben tener un tamaño tal que el caudal de entrada de las burbujas en el cultivo sea el mismo en todas ellas, sin que exista una salida preferencial del gas. Además, para evitar la muerte celular debido al estrés hidrodinámico, el diámetro de la perforación se tiene que calcular teniendo en cuenta la especie de microalga utilizada, el diámetro del fotobiorreactor, el número de perforaciones y el caudal del gas. El diámetro de la perforación suele ser del orden del milímetro. El número de perforaciones debe ser suficiente para que la salida del gas que circula a su través sea más uniforme en la sección del fotobiorreactor. De esta manera, se consigue una agitación más homogénea que en la primera configuración, puesto que las burbujas se distribuyen por todo el diámetro del fotobiorreactor y no sólo en un punto, como sucede en la primera configuración. Por tanto, se consigue mejorar: el intercambio de microalgas entre zonas de luz y de oscuridad y, como consecuencia, la transferencia de luz al cultivo dado que las burbujas generadas permiten una agitación directa del cultivo que dan lugar a una expansión del mismo, se mejora el control de los gradientes de temperatura, el pH, la concentración de nutrientes entre distintos puntos del cultivo, y el aprovechamiento del C02, puesto que para mantener el pH del cultivo entre unos valores determinados, se introduce C02 por el mismo conducto por el que se introduce el aire situado en el fondo del fotobiorreactor, hecho que permite aumentar el tiempo de residencia del C02 en el medio de cultivo y, obtener un mejor aprovechamiento del mismo, y además se evita la deposición de microalgas en las paredes del reactor cuando el cultivo alcanza concentraciones elevadas, hecho que dificultaría el paso de luz al cultivo.
• Una alternativa es colocar varios conductos de recirculación con múltiples perforaciones, como el descrito en el punto anterior a lo largo del fotobiorreactor (Figura 2b), consiguiendo de este modo que el efecto de agitación producida sea más uniforme a lo largo del fotobiorreactor.
Como se he comentado anteriormente, un aspecto importante observado es que empleando el fotobiorreactor mostrado en esta invención, el consumo de C02 para alcanzar un crecimiento de microalgas adecuado se reduce notablemente respecto a otros sistemas. El aprovechamiento de este nutriente es mejor en el caso de emplear este fotobiorreactor modificado que en el caso de utilizar un reactor tipo air-lift convencional, puesto que el tiempo de residencia del C02 es superior en el fotobiorreactor que combina un air-lift y una columna de burbujas dando lugar a una mayor concentración disuelta del mismo y por tanto a una mayor disponibilidad por parte de las microalgas.
Para mostrar esta ventaja, en la Figura 3 se comparan los perfiles de pH con el tiempo durante el cultivo de Nannochloropsis oculata empleando un fotobiorreactor como el descrito en esta invención y un fotobiorreactor tipo air-lift convencional. Como puede observarse, el número de inyecciones de C02 llevadas a cabo en un intervalo de tiempo determinado se reducen empleando un fotobiorreactor que combina un air-lift y una columna de burbujas. Otra ventaja importante que se consigue empleando la modificación descrita en esta invención es la menor adherencia de microalgas en las paredes del fotobiorreactor. Estas adherencias durante el crecimiento de las microalgas reducen la penetración de luz al interior del reactor por lo que puede limitar su crecimiento. Empleando el fotobiorreactor que combina un efecto air-lift con una columna de burbujas descrito en esta invención, el ensuciamiento de las paredes del fotobiorreactor es menor, hecho que favorece un mayor aprovechamiento de la luz cuando el cultivo alcanza concentraciones elevadas. A modo de ejemplo, a continuación se detallan los valores de absorbancia alcanzada en cultivo de la microalga Nannochloropsis oculata empleando un fotobiorreactor igual al descrito en esta invención (Tabla 2). A modo de comparación, se han incluido los valores de absorbancia alcanzados para esta misma especie empleando un reactor tipo air-lift convencional. Se ha seleccionado un reactor tipo air-lift para compararlo con el mostrado en esta invención dado que el mecanismo del mismo engloba un fotobiorreactor tipo air-lift.
Tabla 2. Absorbancias alcanzadas empleando un fotobiorreactor que combina un air-lift y una columna de burbujas
Horas de cultivo Fotobiorreactor descrito Air-lift convencional
0 0.351 0.341
24 0.576 0.506
48 1.014 0.987
72 1.444 1.385
120 2.267 2.109
144 2.327 2.227
168 2.583 2.497
192 2.590 2.457
216 2.797 2.510

Claims

REIVINDICACIONES
Fotobiorreactor combinado tipo air-lift para la producción de biomasa que comprende un cuerpo vertical de altura entre 30 y 600 cm y diámetro entre 5 y 70 cm de forma cilindrica, un medidor de pH con compensación de temperatura apoyado sobre un fondo donde hay un conducto de salida del cultivo, un conducto de entrada de gas adaptado para la circulación de gases que comprenden aire y aire+C02, un conducto que conecta la salida de cultivo, la entrada del gas y la entrada del conducto de recirculación interno y una tapa caracterizado por al menos un conducto de recirculación interno ubicado en el fondo que comprende una salida del conducto de recirculación interno y una entrada del conducto de recirculación interno que permite combinar los efectos air-lift y columna de burbujas.
Fotobiorreactor combinado tipo air-lift para la producción de biomasa según reivindicación 1 , donde el cuerpo vertical tiene altura comprendida entre 150 y 400 cm y diámetro entre 15 y 45 cm.
Fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 2, caracterizado porque la parte superior del cuerpo está abierta para que los gases puedan salir del mismo.
Fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 3, caracterizado porque el fondo tiene forma plana.
Fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 3, caracterizado porque el fondo tiene forma cónica.
Fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 5, caracterizado porque el cuerpo y la tapa están fabricados de un material transparente que reúne condiciones óptimas de transmisión de luz, que puede ser tanto rígido como flexible.
7. Fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 6, caracterizado porque cuenta con un intercambiador de calor para mantener la temperatura óptima para el desarrollo de los microrganismos. 8. Fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 7, caracterizado por comprender un conducto de recirculación no perforado colocado en el fondo.
9. Fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 7, caracterizado por comprender más de un conducto de recirculación no perforados en el fotobiorreactor.
10. Fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 7, caracterizado por comprender un conducto de recirculación perforado colocado en el fondo, donde las perforaciones tienen un tamaño tal que el caudal de entrada de las burbujas en el cultivo sea el mismo en todas ellas, sin que exista una salida preferencial del gas, y un diámetro de la perforación calculado teniendo en cuenta la especie de microalga utilizada, el diámetro del fotobiorreactor, el número de perforaciones y el caudal del gas.
1 1. Fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 7, caracterizado por comprender más de un conducto de recirculación perforado en el fotobiorreactor, donde las perforaciones tienen un tamaño tal que el caudal de entrada de las burbujas en el cultivo sea el mismo en todas ellas, sin que exista una salida preferencial del gas, y un diámetro de la perforación calculado teniendo en cuenta la especie de microalga utilizada, el diámetro del fotobiorreactor, el número de perforaciones y el caudal del gas.
12. Fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones de 10 a 11 , caracterizado por comprender un conducto de recirculación perforado colocado en el fondo, donde el diámetro de la perforación es del orden del milímetro, y el número de perforaciones es suficiente para que la salida del gas que circula a su través sea más uniforme en la sección del fotobiorreactor.
PCT/ES2013/070521 2012-09-19 2013-07-18 Fotobiorreactor combinado tipo air-lift para la producción de biomasa WO2014044883A1 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES201200903A ES2482015B2 (es) 2012-09-19 2012-09-19 Fotobiorreactor combinado tipo air-lift para la producción de biomasa
ESP201200903 2012-09-19

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014044883A1 true WO2014044883A1 (es) 2014-03-27

Family

ID=50340609

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/ES2013/070521 WO2014044883A1 (es) 2012-09-19 2013-07-18 Fotobiorreactor combinado tipo air-lift para la producción de biomasa

Country Status (2)

Country Link
ES (1) ES2482015B2 (es)
WO (1) WO2014044883A1 (es)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2539936A (en) * 2015-07-01 2017-01-04 Univ Nelson Mandela Metropolitan Microalgae cultivation process and equipment
WO2019121933A1 (fr) * 2017-12-22 2019-06-27 Suez Groupe Photobioreacteur

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2071572A1 (es) * 1993-07-13 1995-06-16 Univ Granada Dispositivo para el cultivo de microorganismos fotosinteticos y la produccion de biomasa rica en acido e icosapentaenoico.
WO2010103154A2 (es) * 2009-03-09 2010-09-16 Repsol Ypf, S. A. Método de cultivo de microorganismos y fotobiorreactor empleado en dicho método
US20110045581A1 (en) * 2009-08-20 2011-02-24 Biosigma S.A. Bioreactor for continuous production of bioleaching solutions for inoculation and irrigation of sulfide-ore bioleaching heaps and dumps

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2071572A1 (es) * 1993-07-13 1995-06-16 Univ Granada Dispositivo para el cultivo de microorganismos fotosinteticos y la produccion de biomasa rica en acido e icosapentaenoico.
WO2010103154A2 (es) * 2009-03-09 2010-09-16 Repsol Ypf, S. A. Método de cultivo de microorganismos y fotobiorreactor empleado en dicho método
US20110045581A1 (en) * 2009-08-20 2011-02-24 Biosigma S.A. Bioreactor for continuous production of bioleaching solutions for inoculation and irrigation of sulfide-ore bioleaching heaps and dumps

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2539936A (en) * 2015-07-01 2017-01-04 Univ Nelson Mandela Metropolitan Microalgae cultivation process and equipment
WO2017002084A1 (en) * 2015-07-01 2017-01-05 Nelson Mandela Metropolitan University Microalgae production process and equipment
CN107709537A (zh) * 2015-07-01 2018-02-16 纳尔逊曼德拉大学 微藻的生产方法和设备
IL256628A (en) * 2015-07-01 2018-02-28 Nelson Mandela Univ Process and equipment for the production of micro-algae
CN107709537B (zh) * 2015-07-01 2022-03-25 纳尔逊曼德拉大学 微藻的生产方法和设备
WO2019121933A1 (fr) * 2017-12-22 2019-06-27 Suez Groupe Photobioreacteur
FR3075815A1 (fr) * 2017-12-22 2019-06-28 Suez Groupe Photobioreacteur
CN111511892A (zh) * 2017-12-22 2020-08-07 苏伊士集团 光生物反应器
US11639488B2 (en) 2017-12-22 2023-05-02 Suez International Photo bioreactor

Also Published As

Publication number Publication date
ES2482015B2 (es) 2015-07-09
ES2482015A1 (es) 2014-07-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8476067B2 (en) Photobioreactor and method for processing polluted air
US8709808B2 (en) Accordion bioreactor
US20070155006A1 (en) Photobioreactor
US8658421B2 (en) Circulatory photobioreactor
KR20120095826A (ko) 미세조류 고밀도 배양용 광생물 반응기와, 이를 이용한 미세조류 배양 및 수확 방법
US20160017266A1 (en) Photobioreactor and Method for Processing Polluted Air
KR20110094830A (ko) 미세조류 고밀도 배양용 광생물 반응기와, 이를 이용한 미세조류 배양 및 수확 방법
BR102012011807A2 (pt) sistema de cultivo de microalgas
KR20160000206A (ko) 광합성 자기영양 생물 배양을 위한 광생물 반응기
KR101222696B1 (ko) 와류를 형성하는 호형 격벽 구조를 가지는 미세조류 배양용 광생물 반응기
US20210002595A1 (en) Culture tank
KR101670129B1 (ko) 광 반응 미세조류 배양장치 및 배양방법
WO2014044883A1 (es) Fotobiorreactor combinado tipo air-lift para la producción de biomasa
CN102911856B (zh) 一种适于微藻高效培养的相切套管内置曝气光生物反应器
KR101125711B1 (ko) 분사 장비를 구비한 광생물반응기 및 이를 이용한 미세조류의 배양 방법
KR101663108B1 (ko) 광합성 자기영양 생물 배양을 위한 광생물 반응기용 광튜브
ES2351566B1 (es) Método de cultivo de microorganismos y fotobiorreactor empleado en dicho método.
KR20150128551A (ko) 광합성 자기영양 생물을 위한 광생물 반응기
WO2012176021A1 (es) Sistema para la obtención de biomasa
CN102344888B (zh) 循环式光生物反应器
CN106467888B (zh) 栅板式光生物反应器
CN203474785U (zh) 塔式光网养殖装置
CN202272864U (zh) 一种光能生物培养系统的反应区装置和带有反应区装置的光反应器
CN214735669U (zh) 一种微藻高效培养的可控装置
KR102388601B1 (ko) 순환류를 이용한 조류 배양용 광생물 반응기 및 이를 이용한 조류 배양 생산 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13840091

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13840091

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1