BRPI1102195A2 - vertical tubular photobioreactor to produce microalgae - Google Patents
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Abstract
FOTOBIORREATOR TUBULAR VERTICAL PARA PRODUZIR MICROALGAS. A presente invençâo trata de um fotobiorreator (1) a ser utilizado para a produção de biomassa algal, que compreende um dispositivo multitubular constituído de pelo menos dez tubos de cultura (2) dtspostos verticalmente e eqüidistante de um dispositivo central (3) munido de lâmpadas (4), acoplados em uma base circular (5). A cultura algal cresce isolada do ambiente externo, em cilindros transparentes instalados na referida base circular (5); o giro contínuo dos tubos de cultura (2) a uma velocidade constante, durante períodos reguláveis de incidência de luz, permite que esta penetre na massa algal em cultivo, promovendo um crescimento homogêneo e sem contaminação.VERTICAL TUBULAR PHOTOBIORREATOR TO PRODUCE MICROALGAS. The present invention relates to a photobioreactor (1) for use in the production of algal biomass comprising a multitubular device consisting of at least ten vertically disposed culture tubes (2) equidistant from a central device (3) provided with lamps. (4), coupled to a circular base (5). The algal culture grows isolated from the external environment, in transparent cylinders installed in said circular base (5); The continuous rotation of the culture tubes (2) at a constant speed, during adjustable periods of light incidence, allows it to penetrate the algal mass under cultivation, promoting homogeneous growth without contamination.
Description
FOTOBIORREATOR TUBULAR VERTICAL PARA PRODUZIRVERTICAL TUBULAR PHOTOBIORREATOR TO PRODUCE
MICROALGASMICROALGAS
Campo da invengdoInvention Field
A presente invengao trata de um fotobiorreator tubular vertical giratorio, destinado a produgao de microalgas. O dispositivo se aplica a produ^ao de microalgas em cuituras Iiquidas isoladas do ambiente externo, tanto como cultivo de volume restrito com finalidade imediata de uso da biomassa, quanta como preparo de inoculo para insergao em sistemas abertos ou fechados de cultivo em massa de microalgas. O referido dispositivo permite ο movimento continuo da cultura e um amplo aproveitamento pelas microalgas do CO2 e de nutrientes introduzidos no sistema, bem como uma distribuigao homogenea de Iuz sobre a cultura algal, contribuindo para a eftciencia da fotossintese e crescimerito da cultura.The present invention relates to a rotating vertical tubular photobioreactor for the production of microalgae. The device applies to the production of microalgae in liquid environments isolated from the external environment, as well as restricted volume cultivation for immediate use of biomass, as well as inoculum preparation for open or closed microalgae mass culture systems. . Said device allows the continuous movement of the culture and a wide utilization by the microalgae of CO2 and nutrients introduced in the system, as well as a homogeneous distribution of Iuz over the algal culture, contributing to the efficiency of photosynthesis and growth of the culture.
Fundamentos da invengdoInvengdo Basics
As microalgas envolvem um amplo grupo de microrganismos,Microalgae involve a large group of microorganisms,
importantes para ο equiiibrio do planeta, como principals responsaveis pela dinamica do CO2 e base das cadeias troficas nos ecossistemas aquaticos, gragas a sua capacidade fotossintetica, que consiste na conversao da energia Iuminosa (ex. energia solar) em energia quimica, as custas da absorgao do CO2, agua e nutrientes, resultando oxigenio, carboidratos eimportant for the planet's equilibrium, as the main responsible for the dynamics of CO2 and base of the trophic chains in the aquatic ecosystems, thanks to its photosynthetic capacity, that consists of the conversion of the Luminous energy (ex. solar energy) in chemical energy, the cost of the absorption CO2, water and nutrients, resulting in oxygen, carbohydrates and
outras substancias organicas.other organic substances.
A fotossintese ocorre em duas fases: uma dependente da luz, onde a energia e capturada e utilizada na forma^ao de moleculas de alto teor energetico; na segunda fase (ciclo de Calvin-Benson, independente da luz) a energia destas moleculas e utilizada para capturar CO2 e formar moleculas organicas precursoras de carboidratos, proteinas e lipidios. RuBisCO, a enzima responsavel pela capture do CO2, tem afinidade tanto pelo CO2, quanto pelo oxigenio, mas preferencialmente fixa ο CO2 quando a concentragao deste gas e alta. Se, ao contrario, a concentragSo de oxigenio e mais alta, esta enzima vai fixa-lo preferencialmente (fotorespiragao) e isto promove a retirada do CO2 do ciclo de Calvin-Benson, inibindo a formagao da materia organica e, consequentemente, inibindo ο crescimento algal. A intensidade de luz, a temperatura do meio e, sobretudo, a concentragao de nutrientes e de CO2 sao fatores de influencia e controle das reaves fotossinteticas.Photosynthesis occurs in two phases: a light dependent one, where energy is captured and used in the formation of high energy molecules; In the second phase (Calvin-Benson cycle, independent of light) the energy of these molecules is used to capture CO2 and form carbohydrate, protein and lipid precursor organic molecules. RuBisCO, the enzyme responsible for CO2 capture, has affinity for both CO2 and oxygen, but is preferentially fixed to CO2 when the concentration of this gas is high. If, on the contrary, the oxygen concentration is higher, this enzyme will preferentially fix it (photorespiration) and this promotes the removal of CO2 from the Calvin-Benson cycle, inhibiting the formation of organic matter and consequently inhibiting growth. algal The light intensity, the temperature of the environment and, above all, the concentration of nutrients and CO2 are factors of influence and control of the photosynthetic reactions.
As microalgas atuam como minusculas fabricas de energia, produzindo, alem de metabolitos secund^rios de alto valor nutricional θ de mercado, carboidratos, proteinas e lipidios. Estas tres fragoes bioquimicas podem gerar produtos cosmeticos, farmaceuticos, nutraceuticos, biocombustiveis Iiquidos ou gasosos, podendo-se obter, biodiesel, etanol, bioquerosene, bioplasticos, alem de intermediaries quimicos para ο setor petroquimico, atraves de processos diversos, como transesterificagao do oleo, digestao anaerobica da biomassa, Iiquefagao1 pirolise e gaseificagao, seguida de processos de bio-refinaria. Algumas especies do Gen. Botryoccocus produzem um bio-oleo rico em hidrocarbonetos muito semelhantes aos contidos no petroleo, que podem diretamente ser convertidos a biocombustivel para aviao. Em vista destas comprovadas possibilidades, as microalgas sao atualmente indicadas como materia-prima eco-compativel para biocombustiveis, em substituigao parcial aosMicroalgae act as tiny energy factories, producing, in addition to secondary metabolites of high nutritional value θ market, carbohydrates, proteins and lipids. These three biochemical fractions can generate cosmetic, pharmaceutical, nutraceutical, liquid or gaseous biofuels, and biodiesel, ethanol, biokerosene, bioplasics can be obtained, as well as chemical intermediates for the petrochemical sector, through various processes, such as oil transesterification, anaerobic digestion of biomass, liquefaction, pyrolysis and gasification, followed by bio-refining processes. Some species of Gen. Botryoccocus produce a hydrocarbon-rich bio-oil very similar to those contained in oil, which can be directly converted to biofuel for aircraft. Given these proven possibilities, microalgae are currently indicated as an eco-compatible feedstock for biofuels, in partial replacement of
combustiveis fdsseis.Fossil fuels.
O atendimento a demanda energetics, cujo aumento e estimado em 47% acima dos valores atuais at^ 2025, se constitui em um dos maiores desafios para a humanidade neste seculo. A necessidade de atendimento desta crescente demanda com consistencia e sustentabilidade obriga a busca de altemativas ao uso de energias fosseis, comprovadamente co- responsaveis pelo aumento das emissoes de CO2 e outros gases poluentes na atmosfera, que, em conjunto, determinam ο chamado "efeito-estufa". E clara a necessidade de desenvolvimento tecnologico que Ieve a uma maior possibilidade de sequestra do CO2 atmosferico para ο estabelecimento deMeeting energy demand, which is estimated to rise by 47% over current levels by ^ 2025, is one of the greatest challenges facing humanity in this century. The need to meet this growing demand with consistency and sustainability requires the search for alternatives to the use of fossil energies, proven to be responsible for the increase of CO2 emissions and other pollutant gases in the atmosphere, which together determine the so-called "greenhouse effect". greenhouse". It is clear the need for technological development leading to a greater possibility of sequestration of atmospheric CO2 for the establishment of
uma era pos-carbono.a post-carbon age.
Dentre as atividades humanas dependentes de energia, sobressai-seAmong energy-dependent human activities, the most notable
ο setor de transportes, responsavel por cerca de 60% do consumo, sob a forma de combustiveis, ainda majoritariamente oriundos do petroleo, e responsaveis em cerca de 98%, pelas emissSes de CO2 provenientes de motores de combustao. Nas Ciltimas decadas a busca por biocombustiveis se intensificou. O Brasil, por suas condi?5es edafo-climaticas, sua disponibilidade de terras para cultivo agricola e sua riqueza em biodiversidade, lidera, juntamente com os Estados Unidos1 a produ?ao de etanoi e ocupa ο quarto Iugar entre os paises produtores de biodiesel. O Pais tem a matriz energetica mais Iimpa do mundo, atualmente com cerca de 47% de energia renovavel. Mas os biocombustiveis comerciais sao ainda gerados por tecnologias de primeira geragao, exigindo muita materia prima.The transport sector, which accounts for about 60% of fuel consumption, still mostly from oil, and accounts for about 98% of CO2 emissions from combustion engines. In the last decades the search for biofuels intensified. Brazil, due to its soil and climatic conditions, its availability of land for agricultural cultivation and its richness in biodiversity, leads, along with the United States1, the production of ethanol and occupies the fourth place among the biodiesel producing countries. Pais has the cleanest energy matrix in the world, currently with about 47% renewable energy. But commercial biofuels are still generated by first-generation technologies, requiring a lot of raw materials.
O desafio brasileiro e assegurar que a expansao da agro-energia nao se faga as custas da destruigao de riquezas em biomas florestais e biodiversidade. Tecnicamente os biocombustiveis de primeira geragao tem baixa eficiencia de conversio, exigindo a expansao das culturas, que podem trazer serios problemas ambientais decorrentes de poluigao das aguas, empobrecimento de solos, sem contar que altera^aes no uso da terra fazem retornar a atmosfera, sob forma de CO2, ο carbono retido ao nivel das raizes e solo, anulando os efeitos ben邰cos do sequestra de CO2 da atmosfera peias culturas oleaginosas em crescimento. Nestas circunstancias os biocombustiveis deixam de ser C02-neutros, contribuindo tambem para ο aumento do efeito-estufa e para os desastres ambientais decorrentes doThe Brazilian challenge is to ensure that the expansion of agro-energy does not come at the expense of destroying wealth in forest biomes and biodiversity. Technically first generation biofuels have low conversion efficiency, requiring crop expansion, which can bring serious environmental problems resulting from water pollution, soil depletion, not to mention that changes in land use return the atmosphere under CO2, ο carbon trapped at the roots and soil level, nullifying the beneficial effects of CO2 sequestration from the atmosphere by growing oilseeds. Under these circumstances biofuels are no longer CO2-neutral, contributing also to the increase of the greenhouse effect and to the environmental disasters resulting from the
aumento da temperatura terrestre.increased terrestrial temperature.
A produgao de biocombustiveis de segunda geragao (transformagao de material Iignocelulosico em combustiveis e energia) e uma solugao viavel, desde que a tecnologia ja existe e nao depende da expansao de culturas oleaginosas, alem de Ievar ao aproveitamento de restos como bagago, palha, restos da indOstria madeireira, etc. O problema neste caso e ο alcance, ainda nao conseguido, de um prego competitivo com osThe production of second generation biofuels (transformation of lignocellulosic material into fuel and energy) is a viable solution, since the technology already exists and does not depend on the expansion of oilseeds, besides taking advantage of debris such as bagasse, straw, debris. from the logging industry, etc. The problem in this case is that it has not yet achieved a competitive price with
combustiveis fosseis.fossil fuels.
Neste cenario, biocombustiveis de terceira geragao, baseados na produgao de biomassa algal, surgem como a solugao mais eco-compativel para os problemas ambientais possivelmente decorrentes, em maior ou menor escala, das possibilidades de produgao de biocombustiveis, como acima especificadas. Alem de, comparativamente com outras oleaginosas, exigirem um menor gasto de agua (por possibilitar ο reuso), as microalgas se reproduzem rapidamente, possibilitando a produgao continua ao Iongo do ano, de uma maior quantidade de biomassa e mais oleo vegetal, variarido a depender da especie e das condi^oes de cultivo. O rendimento dos cultivos algais em 0leo pode ser 10 a 20 vezes superior que ο de oleaginosas, como ο oleo de palma, que rende 6000L/ha/ano. Os teores de Iipidios neutros, trigliceridios (TG) e de ^cidos graxos dependem das especies em cultivo e das condigoes da cultura, podendo ser diversificados e aumentados por simples redirecionamento metabolico.In this scenario, third generation biofuels, based on algal biomass production, appear as the most eco-compatible solution to environmental problems possibly arising, to a greater or lesser extent, from the possibilities of biofuel production, as specified above. In addition to the fact that, compared to other oilseeds, they require less water consumption (allowing reuse), microalgae reproduce rapidly, allowing the continuous production of more biomass and more vegetable oil throughout the year, depending on of the species and cultivation conditions. The yield of algal oil crops can be 10 to 20 times higher than that of oilseeds such as palm oil, which yields 6000L / ha / year. The contents of neutral lipids, triglycerides (TG) and fatty acids depend on the species under cultivation and the conditions of the culture and can be diversified and increased by simple metabolic redirection.
As microalgas sao fixadoras de CO2 (1,8 a 2 kg/ kg de biomassa), entre 10 a 20 vezes mais que ο absorvido pelas culturas oleaginosas terrestres. Todos os vegetais sao potencialmente geradores de renovaveis uma vez que, ao fixarem ο CO2 no processo fotossintetico, produzem biomassa, a qual e transformada em biocombustivel e queimada nos motores, retornando ο CO2 fixado a atmosfera. Mas, as microalgas com alta taxa fotossintetica (cerca de 10 vezes maior que a das plantas superiores) tern ο potencial de sequestrar CO2 acima da capacidade de ser C02-neutra, 0 que as toma, portanto, comprovadamente mais eficientes em converter a energia solar em energia quimica, com variagao em torno de 7 a 10%, versus maximos te0ricos de 1 a 3,7% em cultivos de plantas superiores. Por suas caracteristicas morfofisiologicas e capacidade fotossintetica, a area necessaria para cultura, Ievando a igual produgao de biomassa, chega a ser 100 vezes menor, mesmo utilizando terras nao agriculturaveis, diminuindo a possibiiidade de competiQao com a produgao de alimentos.Microalgae are CO2 fixative (1.8 to 2 kg / kg biomass), 10 to 20 times more than absorbed by terrestrial oil crops. All vegetables are potentially renewable generators since, by fixing CO2 in the photosynthetic process, they produce biomass, which is transformed into biofuel and burned in engines, returning CO2 fixed to the atmosphere. But microalgae with a high photosynthetic rate (about 10 times higher than those of higher plants) have the potential to sequester CO2 above their ability to be CO2 neutral, making them therefore more efficient at converting solar energy. in chemical energy, ranging from 7 to 10%, versus theoretical maximums of 1 to 3.7% in higher plant crops. Due to its morphophysiological characteristics and photosynthetic capacity, the area needed for cultivation, due to the same biomass production, is even 100 times smaller, even using non-agricultural land, reducing the possibility of competition with food production.
Uma das dificuldades em relagao a produgao de biomassa de microalgas e a escolha do sistema de cultivo, que Ieve a uma produtividade compativel e a uma eficiencia capaz de tornar competitivo ο prego da biomassa ou do produto. Basicamente1 dois sistemas de cultivo sao propostos para microalgas: (i) em tanques abertos, onde as condig^es sejam extremas para evitar contaminagao do sistema por outras especies ou supressao, por agao do zooplaricton; (ii) em fotobiorreatores fechados, usualmente pianos ou tubulares.One of the difficulties regarding microalgae biomass production is the choice of the cropping system, which leads to a compatible yield and an efficiency capable of making the biomass or product price competitive. Basically1 two cultivation systems are proposed for microalgae: (i) in open tanks, where conditions are extreme to avoid system contamination by other species or suppression by zooplaricton; (ii) in closed photobioreactors, usually pianos or tubulars.
Os tanques abertos sao estruturas com 20-40 cm de profundidade, onde as culturas sao submetidas a um continuo fluxo, impulsionadas por dispositivos giratorios. Os fotobiorreatores consistem em tubos de paredes transparentes onde, sob um fluxo adequado, a cultura e mantida em condigoes controladas de temperatura e pH, com adigao de CO2 e de nutrientes. Tecnicamente os resultados s§o factiveis para os dois sistemas, mas existem serios entraves para ο cultivo em escala em fotobiorreatores fechados, devido aos custos, ao passo que os cultivos em tanques abertos tem Iimitagdes desde que exigem especies tolerantes e condig5es extremes como de alto pH, alta salinidade, etc., ο que tambem Iimita a expansao deste tipo de cultivo.Open tanks are 20-40 cm deep structures where crops are subjected to continuous flow, driven by rotating devices. Photobioreactors consist of clear-walled tubes where, under adequate flow, the culture is maintained under controlled temperature and pH conditions, with CO2 and nutrient uptake. Technically the results are feasible for both systems, but there are serious barriers to scale cultivation in enclosed photobioreactors, due to the costs, while open-tank cultivation has limitations as long as they require tolerant species and high end conditions. pH, high salinity, etc., which also limits the expansion of this type of crop.
A t^cnica atual ainda carece de um equipamento para a produgao de um inoculo que atenda ao volume e as caracteristicas necessarias para a promogao de um crescimento algal acelerado, dentro de custos compativeis. T^cnica relacionadaThe current technique still lacks equipment for the production of an inoculum that meets the volume and the characteristics necessary for the promotion of accelerated algal growth, within compatible costs. Related Art
A Iiteratura t^cnica especializada descreve diversos modelos de fotobiorreatores para a produgao de microalgas, sendo mais comumente empregados os modelos tubulares. As vantagens dos modelos de fotobiorreatores tubulares em relagao aos modelos pianos e modelos helicoidais sao amplamente divulgadas na Iiteratura especiftca (Tredici1 2004; Christi, Y. - Biodiesel from microalgae - Biotechnology Advances, 25, p.294-306, 2007).The specialized technical literature describes various photobioreactor models for the production of microalgae, the most commonly used being tubular models. The advantages of tubular photobioreactor models over piano and helical models are widely reported in the specific literature (Tredici1 2004; Christi, Y. - Biodiesel from microalgae - Biotechnology Advances, 25, p.294-306, 2007).
O documerito US 6602703 descreve um fotobiorreator constituido porUS 6602703 describes a photobioreactor consisting of
uma caixa horizontal que contem em seu interior ο meio de cultura e uma pluralidade de tubos horizontals emissores de luz, os quais se apoiam em placas perfuradas que Ihes servem de suporte. As perfuragdes das placas sao providas de cerdas para Iimpeza dos tubos emissores de Iuz e as referidas placas suporte podem se deslocar no interior da caixa, evitando que as microalgas crescidas no meio de cultura fiquem aderidas ria superficie dos tubos, impedindo a iluminagao do meio. O document。Pl 0702736-2 ensina ο uso de um fotobiorreator tubular vertical para remogao ou fixagao de gas carbonico ou gases de efeito estufa utilizando microalgas e/ou cianobacterias, no qual ο movimento da cultura έ propiciado apenas pelo deslocamento do gas injetado. A eficiericia do equipamento esta relacionada ao tempo de contato entre ο gas e ο meio de cultura.a horizontal box containing the culture medium therein and a plurality of light-emitting horizontal tubes resting on perforated plates which support them. The perforations of the plates are provided with bristles for cleaning the light emitting tubes and said support plates can move inside the box, preventing microalgae grown in the culture medium from sticking to the surface of the tubes, preventing the illumination of the medium. Document 0702736-2 teaches the use of a vertical tubular photobioreactor for the removal or attachment of carbon dioxide or greenhouse gases using microalgae and / or cyanobacteria, in which the movement of the culture is provided only by displacement of the injected gas. The efficiency of the equipment is related to the contact time between the gas and the culture medium.
No document。WO 2009/051479 descreve-se um fotobiorreator para ο cultivo de microorganismos fototropicos. Componentes de um reator compreendendo tubos parcialmente transparentes interligados entre si sao introduzidos em um compartimento protegido, contendo em seu interior ο meio de cultura e microorganismos. O compartimento e colocado sobre flutuadores e deixado em uma grande massa de ^gua1 por exemplo, um lago, de modo que a Iuz solar possa penetrar no interior do reator, permitindo que ο microorganismo realize a fotossintese. O documento WO 97/11154, por sua vez, descreve um fotobiorreatorDocument。WO 2009/051479 describes a photobioreactor for the cultivation of phototropic microorganisms. Components of a reactor comprising interconnected partially transparent tubes are introduced into a protected compartment containing culture medium and microorganisms. The compartment is placed on floats and left in a large mass of water, for example a lake, so that sunlight can penetrate into the reactor, allowing the microorganism to perform photosynthesis. WO 97/11154, in turn, describes a photobioreactor
tubular rotativo solar para produgao de biomassa algal a partir de gases, que tem por objetivo a intensificag§o da transferencia do CO2 em maiores concentragSes para as celulas aigais, introduzindo-se no meio de cultivo emulsoes de perfluorocarbonos (PFCs), tais como perfluorohexano, perfluorobentano, perfluorobenzeno e perfluorodecalin, sobretudo esta ultima substancia.solar rotary tube for the production of algal biomass from gases, which aims to intensify the transfer of CO2 in higher concentrations to the aigal cells, introducing perfluorocarbon emulsions (PFCs) such as perfluorohexane into the culture medium. , perfluorobentane, perfluorobenzene and perfluorodecalin, especially the latter substance.
O documento US 2009/0151241 apresenta um metodo para produzir algas em um fotobiorreator tubular segundo ο qual a transferencia de CO2 para as celulas pode ser otimizada. Estes dois Ciltimos documentos tomam como principio ο fato de que οUS 2009/0151241 discloses a method for producing algae in a tubular photobioreactor whereby CO2 transfer to cells can be optimized. These two documents take as their principle the fact that
CO2 tem um Iimite de solubilidade em meio de cultivo que pode, sirn, crescer pelo aumento da pressao parcial do gas no sistema; entretanto se esta pressao ultrapassa um limite, ο efeito sobre ο crescimento algal pode ser riegativo. Ao contrario, a introdugao no meio de cultura de uma emulsao de perfluorodecalin (quimicamente inerte e nao toxicx) para os organrsmos) aumenta a solubilidade do CO2 e promove seu melhor aproveitamento pelas celulas, ao tempo em que tambem reage com ο oxigenio formado durante a fotossintese, minimizando ο fenomeno da fotorespiragao e promovendo maior crescimento algal. O inconveniente nos metodos descritos nesses documentos e que todos os PFCs nao sao biodegradaveis e sao comprovadamente gases que ampliam ο efeito estufa. Um objetivo da invengSo έ prover um fotobiorreator que oferega aCO2 has a limit of solubility in the culture medium that can only grow by increasing the partial pressure of the gas in the system; however if this pressure exceeds a limit, the effect on algal growth may be rigid. In contrast, the introduction into the culture medium of a perfluorodecalin emulsion (chemically inert and non-toxicx) to the organism) increases the solubility of CO2 and promotes its better utilization by the cells, while also reacting with oxygen formed during photosynthesis, minimizing the phenomenon of photorespiration and promoting higher algal growth. The drawback to the methods described in these documents is that all PFCs are not biodegradable and are proven to be greenhouse gases. An objective of the invention is to provide a photobioreactor that offers
possibilidade de uso altemativo de Iuz artificial e natural, visando tanto ο sequestra de CO2 como a produgao de biomassa para bioeriergia,possibility of altemative use of artificial and natural light, aiming at both CO2 sequestration and biomass production for bioerergy,
nutracduticos ou alimento.nutraceuticals or food.
Outro objetivo da inveng§o e prover um fotobiorreator que permita ο cultivo em sistemas hibridos que envolvem um fotobiorreator intermediario para servir como acelerador do cultivo em massa, que se concluira em tanques abertos. Esta solugao propicia ο fortalecimento de um inoculo de volume compativel, que, ao ser inserido em tanques de cultivo em massa, propicia a aceleragao da produ^ao em biomassa evitando-se ou minimizando-se as possibilidades de contaminagao. Sumdrio da invengSoAnother object of the invention is to provide a photobioreactor that allows cultivation in hybrid systems involving an intermediate photobioreactor to serve as a mass cultivation accelerator, which will be completed in open tanks. This solution enables the strengthening of a compatible volume inoculum, which, when inserted into mass cultivation tanks, allows the acceleration of biomass production by avoiding or minimizing the possibility of contamination. Summary of the Invention
A presente invengao trata de um fotobiorreator a ser utilizado para a produgao de biomassa algal, que compreende um dispositivo multitubular constituido de pelo menos dez tubos dispostos verticalmente e equidistante de um dispositivo central munido de lampadas, acoplados em uma base Circular. A cultura algal cresce isolada do ambiente externa, em cilindros transparentes instalados na referida base circular, cujo giro continuo a uma velocidade constante, durante periodos regulaveis de incidencia de luz， permite que esta penetre na massa algal em cultivo, promovendo um crescimento homogeneo e sem contaminagao. Os cilindros transparentes verticals sao fechados por uma especie de tampa, que veda parcialmente a zona de desgaseificagdo, para garantir a distribuigao homogeriea de um gis que e injetado em seu interior para movimentar ο cultivo e permitir a retirada do excesso de oxigenio produzido pela fotossintese. O sistema de rotagao dos tubos permite que a iluminagao maximize a fotossintese e proporcione, ao mesmo tempo, um Ieve movimento de giro do meio algal. O fotobiorreator pode operar tanto com Iuz natural como com Iuz artificial, caso em que um conjunto de Iampadas fluorescentes e disposto na posigao vertical, no ponto central do equipamento. Breve descrigdo das Figuras A Figura 1 apresenta um esquema simplificado do fotobiorreator,The present invention deals with a photobioreactor to be used for the production of algal biomass, comprising a multitubular device consisting of at least ten vertically arranged tubes and equidistant from a central device provided with lamps, coupled to a Circular base. The algal culture grows isolated from the external environment, in transparent cylinders installed in said circular base, whose continuous rotation at a constant speed, during adjustable periods of light incidence ， allows it to penetrate the algal mass in cultivation, promoting a homogeneous growth without contamination. The vertical transparent cylinders are closed by a kind of cap that partially seals the degassing zone to ensure homogeneous distribution of a gas that is injected into it to move the crop and allow the removal of excess oxygen produced by the photosynthesis. The tube rotation system allows lighting to maximize photosynthesis while providing a slight rotational motion of the algal medium. The photobioreactor can operate with both natural and artificial light, in which case a set of fluorescent lamps is arranged in the upright position at the center point of the equipment. Brief Description of the Figures Figure 1 presents a simplified photobioreactor scheme,
objeto da presente invengao.object of the present invention.
A Figura 2 mostra um corte transversal detalhando a parte interna doFigure 2 shows a cross section detailing the inside of the
fotobiorreator.photobioreactor.
A Figura 3 apresenta um fluxograma simplificado do funcionamento do processo para produzir microalgas, utilizando ο fotobiorreator da invengSo.Figure 3 shows a simplified flowchart of the process operation for producing microalgae using the invengSo photobioreactor.
Descrigdo detalhada da ίηνβης3οDetailed Description of ίηνβης3ο
A presente invengao trata de um fotobiorreator a ser utilizado para a produgao de biomassa algal (microalgas), servindo para ο cultivo propriamente dito em volumes menores, ou para ο prepare de in0culos’ para insergao em sistemas abertos ou fechados de cultivo em massa de microalgas. O sistema tem a finaiidade produzir em curto prazo uma cultura suficientemente conceritrada para a imediata utilizagao da biomassa ou para ser inoculada em volumes maiores em atendimento aos sistemas hibridos de produgao, onde deverao promover ο crescimento em massa de forma mais jntensa e rapida, de modo a impedir a contaminagao por especies Iocais naoThe present invention deals with a photobioreactor to be used for the production of algal biomass (microalgae), serving to cultivate itself in smaller volumes, or to prepare inocula for insertion into open or closed microalgae mass cultivation systems. . The system has the purpose of producing in the short term a culture sufficiently conceritated for the immediate use of biomass or to be inoculated in larger volumes in response to hybrid production systems, where they should promote mass growth faster and faster. prevent contamination by non-local species
desejadas.desired.
O fotobiorreator da invengao apresenta ο format。tubular vertical cuja dimensao axial e maior que a dimensao radial. E compost。por pelo menos dez tubos, ou mOltiplo de dez, onde a cultura se encontra em constante movimento, decorrente da forga de um gas (ar enriquecido com CO2) injetado sob pressao no reator. O fluxo ascendente do gas desloca a cultura da superficie para ο fundo em um movimento descendente, de modo que, continuamente, a massa se move no reator, propiciando sua mais importante finaiidade que e ο aproveitamento da Iuz de forma homogenea pelas celulas algais em cultura. Esta condigao de aproveitamento homogeneo da Iuz e fortalecida pela caracteristica diferencial deste fotobiorreator, cujo desenho possibilita ο giro continuo de todos os tubos ao redor de um dispositivo central munido de Iampadas fluorescentes (luz branca), tambem colocadas na vertical, acompanhando a altura dos tubos.The photobioreactor of the invention has a vertical tubular shape whose axial dimension is greater than the radial dimension. It is composed of at least ten tubes, or multiple of ten, where the culture is in constant movement, due to the force of a gas (CO2 enriched air) injected under pressure in the reactor. The upward flow of the gas shifts the surface culture to the bottom in a downward motion, so that the mass continuously moves in the reactor, providing its most important fineness that is the homogeneous utilization of the light by the cultured algal cells. . This condition of homogeneous use of Iuz is strengthened by the differential characteristic of this photobioreactor, whose design allows the continuous rotation of all tubes around a central device equipped with fluorescent lamps (white light), also placed vertically, following the height of the tubes. .
Este dispositivo permite a reguia^ao da intensidade Iuminosa pelo apagar ou acender das 丨台mpadas. Tambem permite ο uso de apenas Iuz natural, desde que, desligando-se ο sistema de Iuz artificial. O giro dos tubos permite ο aproveitamento homogdneo da Iuz solar, quando ο sistema 6This device allows you to adjust the light intensity by turning off or on the lamps. It also allows for the use of only natural light, provided that by turning off the artificial light system. The rotation of the tubes allows the homogeneous use of the solar light when the system 6
colocado em ambiente aberto.Placed outdoors.
A principal vantagem dos reatores tubulares esta relacionada com a penetragao da Iuz que, em um cilindro, tem um mesmo raio de penetragao, da superficie para ο centra, qualquer que seja a diregao da luz. O fotobiorreator tubular disposto na vertical tem vantagens sobre cilindros dispostos horizontalmente, devido a superposig§o dos tubos, queThe main advantage of tubular reactors is related to the light penetration which, in a cylinder, has the same penetration radius, from the surface to the center, whatever the direction of light. The vertically arranged tubular photobioreactor has advantages over horizontally arranged cylinders due to the overlapping of the tubes which
determinam zonas de sornbreamento. Outras vantagens da invengao agora proposta ficarao evidentes adetermine seaming zones. Other advantages of the invention now proposed will be apparent from
partir de sua descrigao detalhada que se fara a seguir, tendo por base as Figuras que acompanham este relatorio e dele sao parte integrante.It will be based on the following detailed description, based on the figures that accompany this report and are an integral part of it.
Como se pode observer na Figura 1, ο fotobiorreator (1) possui substancialmente ο formato tubular vertical. Compreende um dispositivo multitubular constituido de pelo menos dez tubos (2) de cultura algal, que sao dispostos verticaimente e equidistante de um dispositivo central (3) munido de Iampadas (4) fluorescentes (mais bem visualizado na Figura 2),As can be seen from Figure 1, the photobioreactor (1) has substantially the vertical tubular shape. It comprises a multitubular device consisting of at least ten algal culture tubes (2) which are arranged vertically and equidistant from a central device (3) fitted with fluorescent caps (4) (best shown in Figure 2),
acoplados em uma base circular (5).coupled to a circular base (5).
A base circular (5), rigida, sao acoplados dez cubos de rolamentos (6) de metal. Na parte superior dos cubos de rolamento, e encaixada uma segunda estrutura rigida circular (7). O eixo superior de cada cubo de rolamento ultrapassa a segunda estrutura superior rigida (7) e serve para que sejam acoplados copos metalicos fixos (8) que servirao de suporte para os tubos de cultura (2), feitos de material transparente (9). Abaixo da base circular (5), e provido um sistema a base de polias,The rigid circular base (5) is coupled to ten metal bearing hubs (6). At the top of the bearing hubs, a second circular rigid frame (7) is fitted. The upper axis of each bearing hub extends beyond the second rigid upper frame (7) and serves to attach fixed metal cups (8) which will support the culture tubes (2) made of transparent material (9). Below the circular base (5), a pulley-based system is provided,
que permite ο giro de cada tubo de cultura (2). Encaixado no eixo inferior dos cubos de rolamento (6), sao acopladas nove polias simples (10). No decimo cubo de rolamento, e acoplada uma polia dupla (11)，que serve para transmissSo de movimento. Na base inferior tambem e fixado um moto- redutor (12), cujo eixo e acopiado em uma polia menor (13), que transmite ο movimento para a polia dupla (11), a qual e acoplada sob um dos eixos de sustentagao de um dos cubos. A polia dupla (11) repassa por meio de uma primeira correia, ο movimento para as polias simples (10) de todos os tubos de cultura algal. A transmissao de movimento e realizada por uma segunda correia (14), simples, esticada atraves de uma polia extensora (15), que serve para ο ajuste das referidas correias. Na parte superior da base circular (5) sao encaixados nos coposwhich allows the rotation of each culture tube (2). Fitted to the lower axis of the bearing hubs (6), nine single pulleys (10) are coupled. In the tenth bearing hub is coupled a double pulley (11) which serves for motion transmission. In the lower base is also fixed a gearmotor (12), whose shaft is coupled to a smaller pulley (13), which transmits the movement to the double pulley (11), which is coupled under one of the support axes of a of the cubes. The double pulley (11) passes through a first belt to the single pulleys (10) of all algal culture tubes. The movement transmission is carried out by a simple second belt (14), stretched through an extension pulley (15), which serves to adjust said belts. At the top of the circular base (5) are fitted to the cups
metalicos fixos (8) dez tubos de cultura (2), onde sao cultivadas as microalgas. Na parte inferior, cada tubo e dotado de uma valvula de saida (16) para a coleta da cultura (Figura 2).fixed metallics (8) ten culture tubes (2) where the microalgae are grown. At the bottom, each tube is provided with an outlet valve (16) for culture collection (Figure 2).
Uma cobertura rigida superior (17) dotada com pelo menos doze tampas cobre todos os tubos de cultura (2), isolando os cilindros de cultivo do meio externo e provendo meios para que sejam instalados dispositivos para ο controle do processo. Estas tampas fixas, entretanto, dispoem de rebordo vertical (18) que envolve a parte superior de cada tubo, deixando um espago miiimetrico que possibilita ο giro de todos os tubos de cultivo, enquanto as tampas se mantem imoveis. Por este espago sal ο oxigenio proveniente do processo fotossintetico e ο ar cujas bolhas explodem na area de desgasificagao (G) 一 espago superior de cada ci Iindro de cultivo, calculado para conter ο ar resultante da quebra das bolhas na parte superior das cultures, e ο oxigenio proveniente da fotossintese. Ao nivel de cada um dos tubos, a cobertura superior tem aberturas para alimentagao, atraves de tubulagao, de meio de cultivo e para injegao de gas (CO2 e Ar), assim como para instalagao de eletrodos determinadores de parametros fisicos e quimicos (temperatura, pH, salinidade, entre outros). A cultura algal cresce isolada do ambiente externo, nos cilindros transparentes (9) instalados nos cubos (8) da base circular; ο giro continuo dos tubos de cultura (2) a uma velocidade constante, durante periodos regulaveis de incidencia de luz, permite que esta penetre na massa algal em cultivo, promovendo um crescimento homogeneo e sem contaminagao. O sistema de rotagao dos tubos permite que a iluminagao maximize a fotossintese e proporcione, ao mesmo tempo, um Ieve movimento de giro do meio algal. O giro dos tubos propicia tambem a vantagem do uso de Iuz natural, reduzindo-se assim os custos de produgao, deixando ο uso de Iuz artificial apenas eventualmente, em caso de tempo nublado.An upper rigid cover (17) provided with at least twelve caps covers all culture tubes (2), isolating the culture cylinders from the external medium and providing means for process control devices to be installed. These fixed caps, however, have a vertical flange (18) that surrounds the top of each tube, leaving a myimetric space that enables the rotation of all cultivation tubes while the caps remain motionless. For this space salt is oxygen from the photosynthetic process and air whose bubbles explode in the degassing area (G) is the upper space of each crop circle calculated to contain the air resulting from the breakage of bubbles at the top of the crops, and ο oxygen from photosynthesis. At the level of each tube, the upper cover has openings for feeding, through tubing, culture medium and for gas injection (CO2 and Ar), as well as for installing electrodes determining physical and chemical parameters (temperature, pH, salinity, among others). The algal culture grows isolated from the external environment in the transparent cylinders (9) installed in the hubs (8) of the circular base; Continuous rotation of the culture tubes (2) at a constant speed during adjustable periods of light allows it to penetrate the algal mass under cultivation, promoting homogeneous growth without contamination. The tube rotation system allows lighting to maximize photosynthesis while providing a slight rotational motion of the algal medium. Rotating the tubes also provides the advantage of using natural light, thereby reducing production costs, leaving artificial light only in the event of cloudy weather.
A Figura 2 apresenta uma vista em corte transversal do fotobiorreator da invengao. Observam-se ο dispositivo central (3) onde as Iampadas (4) fluorescentes estao acopladas, e os copos (8) que sustentam os tubos de cultura (2)，distribuidos sobre a base circular (5). Um sistema distribuidor de gas, dotado com dispositivo de medigio, fornece CO2 em mistura com ο ar, para ο cultivo. O gas e injetado na cultura por meio de borbulhamento, atraves de um sistema de tubos finos dispostos radialmente no fundo de cada cilindro de cultura. Estes tubos finos em disposi?ao radial sao conectados a um tubo central (19) que percorre toda a altura dos cilindros de cultivo (n§o mostrado na Figura). O sistema e feito de material rigido e transparente e dotado de orificios milimetricx)s, calculados para propiciar a dispersao devida do ar enriquecido de CO2 ao Iongo de toda a extensao do cilindro, propiciando da forma homogSnea, a dispersao do gas em todo ο volume da cultura. Cada tubo de cultura (2) e munido com uma v^lvula de saida (16) para retirada de cultura.Figure 2 shows a cross-sectional view of the inventive photobioreactor. Note the central device (3) where the fluorescent lamps (4) are coupled, and the cups (8) supporting the culture tubes (2) ， distributed on the circular base (5). A gas distributing system, equipped with a measuring device, supplies CO2 mixed with air for cultivation. The gas is injected into the culture by bubbling through a system of thin tubes arranged radially at the bottom of each culture cylinder. These thin radially arranged tubes are connected to a central tube (19) which runs the full height of the cultivation cylinders (not shown in the Figure). The system is made of rigid and transparent material and has millimetric holes, calculated to provide proper dispersion of CO2-enriched air to the entire length of the cylinder, providing homogeneous dispersion of gas throughout the volume. of culture. Each culture tube (2) is provided with an outlet valve (16) for culture withdrawal.
O fotobiorreator (1) permite ο cultivo em batelada ou de modo continuo, sendo cada tubo de cultivo do fotobiorreator dotado de uma conex§o com 0 reservatorio armazenadordo meio de cultura.The photobioreactor (1) allows batch or continuous cultivation, with each photobioreactor culture tube having a connection to the storage reservoir of the culture medium.
Em casos de cultivos continuos, ο volume de cultura retirado pela valvula de saida (16) e reposto com novo meio de cultura onde as celulas remanescentes se avolumam novamente por divis5es sucessivas.In cases of continuous cultivation, the volume of culture is removed by the outlet valve (16) and replaced with a new culture medium where the remaining cells bulge again by successive divisions.
O controle do processo pode ser feito de forma automatizada, por meio de um programa de computador (software) desenvolvido para tal. O fluxograma simpllficado do funcionamento do processo esta mostrado na Figura 3. O meio de cultura (F) proveniente de um reservatorio (R) e alimentado para cada um dos tubos de cultura (2) algal do fotobiorreator (1), cujos parametros quimicos e fisicos, sao devidamente controlados por meios adequados, como por exemplo: sensor de temperatura (20) β sensor/transmissor de pH e temperatura (21), controlador (22) tipo PLC. Um compressor de ar (23) impulsiona ο ar para um misturador (24), que tambem recebe ο CO2 proveniente de uma fonte externa (25) qualquer. Um sistema distribuidor de gas (D), dotado com dispositivos de medigao, fornece CO2 em mistura com ο ar para ο cultivo na propor?ao adequada, definida e controlada por um microprocessador (26) que monitora ο processo por meio do programa de computador dedicado.Control of the process can be done automatically through a computer program (software) developed for this purpose. The simplified flow diagram of the process operation is shown in Figure 3. The culture medium (F) from a reservoir (R) is fed to each of the algal culture tubes (2) of the photobioreactor (1), whose chemical parameters are are properly controlled by suitable means such as: temperature sensor (20) β pH / temperature sensor / transmitter (21), PLC type controller (22). An air compressor (23) propels air into a mixer (24), which also receives CO2 from any external source (25). A gas distributor system (D), provided with metering devices, supplies CO2 in admixture with air for cultivation in the appropriate ratio, defined and controlled by a microprocessor (26) which monitors the process through the computer program. dedicated.
Este monitoramento e baseado na determinagao dos parametros fisicos e quimicos de interesse visando a otimizagao do processo. Para isto ο sistema e dotado de eletrodos permanentes de medigao, permitindo ο controle do processo pelos ajustes que sao feitos, mediante ο automatismoThis monitoring is based on the determination of the physical and chemical parameters of interest in order to optimize the process. For this the system is equipped with permanent electrodes of measurement, allowing the process control by the adjustments that are made by means of automaticity.
do CO2 e ο fluxo de massa.of CO2 and ο mass flow.
O oxigenio dissolvido e, sobretudo, ο introduzido com as bolhas de ar no sistema, e expelido pela quebra das bolhas na zona de desgasifica^ao (G)1 liberando-se do sistema para ο ambierite. A zona de desgasificagao e desenhada para permitir a saida de gases, dificultando a sua entrada, atraves das tampas que cobrem os tubos de cultura (2) na extremidade superior, mantendo nas bordas uma folga minima (2mm em relagao ao diametro dos cilindros), impedindo que ο ar de exterior entre, mas permitindo a saida de gas da zona de desgasificagao. Um dispositivo automatico (nao mostrado na figura), gerenciado porThe dissolved oxygen is mainly introduced with the air bubbles into the system and is expelled by the bubbles breaking in the degassing zone (G) 1 releasing from the system to ambierite. The degassing zone is designed to allow gas to escape, making it difficult to enter through the caps covering the culture tubes (2) at the upper end, keeping a minimum clearance (2mm in relation to the diameter of the cylinders) at the edges, preventing outside air from entering, but allowing gas to escape from the degassing zone. An automatic device (not shown in the figure), managed by
computador, permite a programagao de fotoperiodo. Como ja mencionado, a Iuz e propiciada pelas Iampadas fluorescentes (4) dispostas verticalmente no dispositivo central (3) e ao Iongo da altura dos tubos com microalgas. O giro dos tubos, juntamente com inje?ao do gas atua re-suspendendo as celulas, ο que permite um movimento continuo da cultura, evitando-se ο sombreamento consequente das celulas em movimento, na periferia dos tubos. Em um cilindro a penetrag§o da Iuz tem um mesmo raio de penetragao, da superficie para ο centro, qualquer que seja a diregao da luz.computer, allows photoperiod programming. As already mentioned, the light is provided by the fluorescent lamps (4) arranged vertically on the central device (3) and along the length of the microalgae tubes. The rotation of the tubes, together with the injection of the gas acts by re-suspending the cells, which allows a continuous movement of the culture, avoiding the consequent shading of the moving cells in the periphery of the tubes. In a cylinder the light penetration has the same penetration radius from the surface to the center, whatever the direction of light.
O material do qual έ construido ο fotobiorreator nao oferece riscos, έ de facil manipulagao, baixo custo, dur^vel e de facil Iimpeza antes e apos uso.The material from which the photobioreactor is built offers no scratches, is easy to handle, low cost, durable and easy to clean before and after use.
O fotobiorreator, objeto da presente inveng§o, possibilita a obtengao diaria de biomassa em quantidade suficiente para as analises quimicas necessarias a determinagao da quantidade e qualidade do oleo e de outras substancias organicas produzidas, Ievando a obtengao de resultados em tempo real, ο que aperfeigoa ο monitoramento diario.The photobioreactor, object of the present invention, makes it possible to obtain enough biomass daily for the chemical analysis necessary to determine the quantity and quality of oil and other organics produced, leading to real-time results, which perfect for daily monitoring.
A descrigao que foi feita do fotobiorreator ilustra uma concretizagao possivel do conceito inventivo, nao sendo, entretanto, restritiva da invengao. Torna-se evidente a um especialista na materia que adaptag5es poder§o ser introduzidas no aparelho descrito, sem fugir de sua concepgao original.The description that has been made of the photobioreactor illustrates a possible embodiment of the inventive concept, but is not restrictive of the invention. It is apparent to one skilled in the art that adaptations may be made to the apparatus described without departing from its original design.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BRPI1102195-0A BRPI1102195A2 (en) | 2011-05-30 | 2011-05-30 | vertical tubular photobioreactor to produce microalgae |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BRPI1102195-0A BRPI1102195A2 (en) | 2011-05-30 | 2011-05-30 | vertical tubular photobioreactor to produce microalgae |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BRPI1102195A2 true BRPI1102195A2 (en) | 2013-06-25 |
Family
ID=48651662
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| BRPI1102195-0A BRPI1102195A2 (en) | 2011-05-30 | 2011-05-30 | vertical tubular photobioreactor to produce microalgae |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| BR (1) | BRPI1102195A2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018161138A1 (en) * | 2017-03-08 | 2018-09-13 | Dayrell Ivan | Integrated system to produce microalgae |
-
2011
- 2011-05-30 BR BRPI1102195-0A patent/BRPI1102195A2/en not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018161138A1 (en) * | 2017-03-08 | 2018-09-13 | Dayrell Ivan | Integrated system to produce microalgae |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| B03A | Publication of a patent application or of a certificate of addition of invention [chapter 3.1 patent gazette] | ||
| B06F | Objections, documents and/or translations needed after an examination request according [chapter 6.6 patent gazette] | ||
| B11E | Dismissal acc. art. 34 of ipl - requirements for examination incomplete | ||
| B11T | Dismissal of application maintained [chapter 11.20 patent gazette] |