MX2012005674A

MX2012005674A - Sistema de cultivo de microalgas.

Info

Publication number: MX2012005674A
Application number: MX2012005674A
Authority: MX
Inventors: Alfonso Navarro
Original assignee: Aeon Biogroup Spa
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2012-11-22
Also published as: PE20130367A1; ECSP12011900A; CL2011001145A1; AU2012202790A1; CN102864067A; EP2524962A1; US20120295337A1; BR102012011807A2; CO6800250A1

Abstract

El invento se refiere a un sistema de cultivo de microalgas que entrega un mayor control del cultivo debido a la distribución y forma de sus componentes y la posibilidad de incorporar gases al medio, resultando en un mayor rendimiento del cultivo y menor consumo de energía por unidad de volumen. La invención comprende una piscina de manto circular, piezas de PVC y una tapa removible.

Description

SISTEMA DE CULTIVO DE MICROALGAS CAMPO DE LA INVENCION El invento se refiere a un sistema de cultivo de microalgas que entrega un mayor control del cultivo debido a la distribución y forma de sus componentes y la posibilidad de incorporar gases al medio, resultando en un mayor rendimiento del cultivo y menor consumo de energía por unidad de volumen.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las microalgas han sido usadas en acuicultura, como suplemento alimenticio y producción de compuestos químicos (Raja y cois. (2008), A perspective on the biotechnological potential of microalgae, Crítical Reviews in Microbiology, 34(2), 77-88), y más recientemente se han propuesto como fuente energética para la producción de combustible, ofreciendo varias ventajas frente a los cultivos tradicionales, como una alta eficiencia fotosintética, alto contenido de lípidos, producción continua de biomasa y rápido crecimiento (Murray Moo-Young y Yusuf Chisti (1994), Bioreactor applications in waste treatment. Resources, Conservation and Recycling, Vol 1 1 , 13-24; Sánchez y cois., (2003), Shear stress tolerance and biochemical characterization of Phaeodactylum tricornutum in quasi steady-state continuous culture in outdoor photobioreactors, Biochemical Engineering Journal, Vol 16(3), 287-297; Miao y cois., (2006), High quality biodiesel production from a microalga Chlorella protothecoides by heterotrophic growth in fermenters, Journal of Biotechnology, Vol 126(4), 499-507) y además, por tratarse de una fuente renovable con bajas emisiones de contaminantes a la atmósfera (CO2 y SO2).

Si bien las bases biológicas del cultivo de microalgas se encuentran ampliamente desarrolladas en la pequeña escala, falta capacidad de cultivo a gran escala para producir biomasa de bajo costo. Para la producción intensiva de microalgas se utilizan principalmente dos sistemas de cultivo, los sistemas abiertos o Raceway ponds y los sistemas cerrados o fotobiorreactores (FBRs). En sistemas abiertos los cultivos se exponen a la atmósfera en una especie de canal de grandes dimensiones y son agitados constantemente por una rueda de palas o paddlewheel. Los FBRs son sistemas de cultivo altamente productivos que permiten mayor rendimiento del cultivo por unidad de área y volumen, en comparación a los sistemas abiertos (Sánchez y cois., (2003). Shear stress tolerance and biochemical characterization of Phaeodactylum tricornutum in quasi steady-state continuous culture in outdoor photobioreactors, Biochemical Engineering Journal. Vol 16(3), 287-297; Khan y cois., (2009), Prospects of biodiesel production from microalgae in India. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol 13(9), 2361 -2372). Los FBRs pueden ser construidos de plástico, vidrio y PVC transparente, entre otros materiales y de distintas formas, horizontales, verticales, circulares, etc.

La alta productividad de los FBRs está asociada con el control de todos los parámetros de cultivo y las condiciones de asepsia que entregan estos, las que finalmente se traducen en mayor productividad por unidad volumétrica. Las cifras de producción de ambos sistemas alcanzan números muy diferentes. Según Sánchez, la productividad volumétrica en Kg/m3, los fotobiorreactores son quince veces más efectivos que los sistemas abiertos y utilizan la mitad del área medida en hectáreas. Además de estas ventajas, podríamos añadir que los estanques abiertos pueden sufrir contaminación y un difícil control de las condiciones de cultivo. Sin embargo, los costos de instalación son mínimos en comparación con los que habría que asumir con los FBRs, que al mismo tiempo son más difíciles de limpiar. Estos son los principales motivos por los que hasta ahora la mayor parte de la producción de microalgas se ha efectuado en sistemas abiertos.

Con respecto a las desventajas de los sistemas actuales de estanques abiertos, los únicos sistemas productivos que actualmente están en uso son las piscinas abiertas tipo raceway o circulares. Estos sistemas emplean un agitador mecánico tipo rueda de paletas que está en contacto con el agua y sufre corrosión y desgaste. El movimiento que resulta de este tipo de propulsión tiende a ser flujo laminar, lo que significa una incorrecta turbulencia para la nutrición del alga.

Estos sistemas no fueron concebidos para incorporar gases como aire o C02 puro en el medio, teniendo como única fuente de CO2 la transferencia pasiva del gas desde el aire al agua a través de la superficie expuesta. Esto genera una limitación en la captura de C02, resultando en bajas tasas de crecimiento.

La escalación de estos sistemas a tamaños superiores a los actuales (100ha) resulta impráctica por la baja productividad por unidad de área y la enorme pérdida de agua por evaporación. Estos sistemas además tienden a contaminarse con agentes químicos y biológicos como larvas, bacterias, especies competidoras y depredadores de las microalgas, que han presentado serios inconvenientes para las plantas actuales, disminuyendo considerablemente el factor de planta.

Por último, el uso de partes móviles o motores cercanos o en contacto con el agua aumenta la probabilidad de fallas, especialmente si se utiliza agua de mar.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN El sistema de la invención es un sistema de cultivo de microalgas cerrado que entrega un mayor control del cultivo y la posibilidad de incorporar gases al medio, resultando en un mayor rendimiento del cultivo y menor consumo de energía por unidad de volumen. El invento emplea un modelo celular para facilitar su escalamiento, permitiendo la independencia de las unidades y un escalamiento ad infinitum. El modelo físicamente consiste en arreglos de estanques circulares con tapas transparentes, sistemas de bombeo de agua por aire tipo airlift conectados a un sistema de carga/descarga, provisión de gases y sistema de control automático.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS La figura 1 muestra una vista en planta del estanque sin tapa y sus elementos.

La figura 2 muestra una vista lateral en corte del estanque sin tapa y sus elementos. La figura 3 muestra una vista en planta del estanque con su tapa transparente hexagonal.

La figura 4 muestra una vista lateral del estanque con su tapa transparente hexagonal. La figura 5 muestra un gráfico de células/ml. considerando los ejemplos 1 ,2 y 3.

La figura 6 muestra una vista en isométrica de la instalación.

La figura 7 muestra una instalación y distribución con 6 grupos o células de tres estanques cada uno.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCIÓN El sistema de cultivo está diseñado pensando en el escalamiento, es decir, una distribución espacial de los estanques que permite aumentar fácilmente el área de producción por la incorporación de nuevas células (grupos de tres estanques conectados a un sistema de bombeo central) (figura 7).

Los estanques son circulares con manto cilindrico y fondo cónico, preferentemente de fibra de vidrio o cemento revestido. La forma preferida de construcción del estanque es aquella en que el diámetro del estanque es mayor que el alto del mismo.

Los estanques durante su operación se encuentran cubiertos por una tapa móvil hexagonal de un material transparente, preferentemente policarbonato alveolar (figuras 3 y 4). Para el control visual del interior del estanque, una de las caras del hexágono puede ser removida.

El sistema mantiene la temperatura del medio de cultivo estable dentro de un rango adecuado para la proliferación de microalgas. Esto se logra gracias a que los estanques se encuentran parcialmente enterrados en la tierra (figura 4, línea punteada), lo que permite contrarrestar las oscilaciones térmicas día-noche y no sufrir variaciones importantes en la temperatura promedio entre el invierno y el verano. El rango ideal de pH para la operación del sistema es de entre 6.0 y 1 1 .0.

El sistema de cultivo realiza propulsión mediante aire. Este sistema de propulsión funciona conectado a un soplador externo a la instalación (5), este soplador permite alimentar varios grupos modulares o células a la vez provocando un bombeo suave mientras que se realiza intercambio de gases entre el medio de cultivo y el aire bombeado. El medio de cultivo es distribuido hacia los estanques en el movimiento de recirculación para mantener una agitación permanente, para este efecto cada estanque cuenta en su interior con un primer aireador (12) que transporta medio de cultivo y aire consistente en un tubo recto cercano a la superficie de líquido y sobre él con un ángulo de entre 30° y 60° respecto a la superficie del líquido, que descarga al interior del estanque en forma tangencial al manto cilindrico de dicho estanque, formando una corriente circular o vórtice que también forma parte del sistema de propulsión del medio de cultivo en el interior del estanque.

El segundo aireador de PVC, transporta medio de cultivo y aire, y consiste en un tubo de forma semicircular (16) con un tapón en un extremo (9), ubicado cerca del fondo de dicho estanque y que forma parte del sistema de propulsión del medio de cultivo en el interior del estanque. Dicho segundo aireador consta de perforaciones por donde se inyecta la mezcla de aire o gas y medio de cultivo al estanque, dichas perforaciones están orientadas hacia el fondo del estanque con el fin de prevenir el taponamiento de los orificios por la decantación de las células en cultivo (8).

A través de la línea hidráulica (6) se realiza la carga de los estanques con medio de cultivo y algas. Una vez que el estanque (1 ) está lleno de medio de cultivo (14), comienza la recirculación. Se abre el paso de gases a presión (5) mediante la válvula de entrada de gases (10), que pueden ser aire, dióxido de carbono o una mezcla de ambos y se cierra la línea hidráulica (1 1 ). Los gases empujan el medio de cultivo hacia arriba y se mezclan parcialmente en el agua, la cual vuelve al estanque (1 ) entrando en forma tangencial al círculo. Este movimiento genera una corriente circular. El medio de cultivo se mezcla y libera gases de fotosíntesis que se mezclan con los gases a presión en la parte superior del estanque .

Luego de dar vueltas por el sistema, el medio de cultivo vuelve al centro del estanque hacia la línea de recirculación (4). A través de esta línea se realiza el llenado de los estanques con medio de cultivo (14), incorporación del inoculo y también se realiza la cosecha.

La línea neumática (5) incorpora gases al sistema (aire) para suministrar la potencia para realizar la recirculación.

El sistema descrito en la presente solicitud no posee partes móviles o metálicas, lo que le confiere una gran versatilidad con respecto a los fotorreactores descritos en el estado del arte. Esta característica hace posible utilizar la invención para el cultivo de especies de microalgas indistintamente de agua dulce como salada, entre ellas Arthrospira platensis, Monoraphidium graphitti, Chlorella vulgaris, Anabaena variabilis y Nannochloropsis oculata, Chlorella neustonica, respectivamente.

EJEMPLOS Ejemplo 1 : Crecimiento de la microalga Arthrospira platensis en Fotobiorreactor descrito en la presente solicitud: - Se emplea medio de cultivo Zarrouk Modificado, en grado agrario; - Como fuente de CC½ se utiliza aire ambiental; - Las mediciones de densidad fueron realizadas mediante conteo celular utilizando cámara Sedgewick-Rafter. Los resultados están expresados en células por mililitro.

- La cosecha se pesó completamente seca y está expresada en gramos. Los cálculos de rendimiento se realizan sumando la cosecha del período, dividido por el área de cultivo (14m2) y por la cantidad de días del período, expresándose los resultados en gramos por metro cuadrado por día (g/m2/día). Se incluyen los días de descanso o sin cosecha.

Ejemplo 2: En condiciones estándar de cultivo para Arthrospira platensis descritas en ejemplo 1 , se realizó cosecha continua durante 1 semana. Como criterio de cosecha, se recolectó cada vez que el sistema excedió un promedio de 180,000 células por mililitro.

Tabla 1 : Semana de cosecha 1 Caudal Tiempo Peso Seco Vol % Fecha Acumulado6 Cosecha1 cosechado2 (Neto)3 cosechado4 Cosechado5 07-02-2011 13 33 209 429 8% 209.0 08-02-2011 14.3 30 215 429 8% 424.0 10-02-2011 14.8 60 296 888 17% 720.0 11-02-2011 13 90 327 1170 22% 1047.0 Tiempo total 5 días Productividad Promedio 15 g/m2/día Productividad total 1047.0 g Cantidad cosechada 56% 1: expresado en l/min; 2: en minutos; 3: en gramos; 4: I * min; 5: % del volumen total 5,200 I; 6: gramos cosechados.

Ejemplo 2: En condiciones estándar de cultivo para Arthrospira platensis, se realizó cosecha continua durante 1 semana. En esta oportunidad se incorporó el burbujeador secundario, que tiene por objeto incrementar la turbulencia, mejorar la incorporación de CO2 al sistema y la degasificación del medio. Como criterio de cosecha, se realizó la recolección cada vez que el sistema excedió un promedio de 180,000 células por mililitro. La siguiente tabla muestra los resultados de la cosecha.

Tabla 2: 1: expresado en l/min; 2: en minutos; 3: en gramos; 4: I * min; 5: % del volumen total 5,200 I; 6: gramos cosechados.

La siguiente tabla muestra la diferencia en rendimiento luego de incorporar el burbujeador secundario.

Claims

REIVINDICACIONES Sistema cerrado de cultivo de microalgas que entrega un mayor control del cultivo y la posibilidad de incorporar gases al medio de cultivo, CARACTERIZADO porque : a) Emplea un modelo celular que comprende grupos de tres unidades de cultivo tipo bioreactor, distribuidos de tal manera que facilitan su escalamiento; b) Cada unidad de cultivo de dicho modelo celular consta de : - Un estanque de manto cilindrico y fondo cónico enterrado en la tierra - Una tapa transparente, preferentemente de policarbonato de forma hexagonal instalada sobre dicho estanque; - Un primer aireador que transporta medio de cultivo y aire, consistente en un tubo recto cercano a la superficie de líquido y sobre él con un ángulo de entre 30° y 60° respecto a la superficie del líquido, que descarga al interior del estanque en forma tangencial al manto cilindrico de dicho estanque, formando una corriente circular o vórtice que también forma parte del sistema de propulsión del medio de cultivo en el interior del estanque; - Un segundo aireador de PVC que transporta medio de cultivo y aire consistente en un tubo de forma semicircular con un tapón en un extremo ubicado cerca del fondo de dicho estanque y que forma parte del sistema de propulsión del medio de cultivo en el interior del estanque, dicho segundo aireador consta de perforaciones por donde se inyecta la mezcla de aire o gas y medio de cultivo al estanque, dichas perforaciones están orientadas hacia el fondo del estanque; - Una línea de recirculación desde el fondo del estanque a los aireadores semicircular y tangencial, en la cual se inserta una línea de inyección de aire; - Una cañería y una válvula de entrada de gases; y - Una cañería y una válvula de entrada de líquido. Sistema de cultivo de microalgas según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la inyección de aire al sistema se hace mediante el uso de un sistema soplador externo que puede alimentar varias unidades de modelo celular, dicho soplador inyecta una presión preferentemente de 0.1 bar. Sistema de cultivo de microalgas según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la línea de entrada de gases también permite la inyección directa de dióxido de carbono. Sistema de cultivo de microalgas según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque se utiliza la combinación de flujos del aireador semicircular y el aireador recto para mejorar la aireación. Sistema de cultivo de microalgas según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque se utiliza además el flujo de las perforaciones del segundo aireador orientados hacia el fondo del estanque para evitar la decantación en dicho estanque. 6. Sistema de cultivo de microalgas según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el estanque se entierra en la tierra para obtener mejoras en la aislación térmica y mantener constante la temperatura del medio de cultivo. 7. Sistema de cultivo de microalgas según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el inoculo se carga directamente en el estanque. 8. Sistema de cultivo de microalgas según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el pH utilizado en el medio de cultivo es preferentemente de entre 6.0 y 1 1 .0. 9. Sistema de cultivo de microalgas según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque se puede indistintamente usar con agua dulce o agua salada ya que no tiene partes metálicas. 10. Sistema de cultivo de microalgas según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la forma preferida de construcción del estanque es aquella en que el diámetro del estanque es mayor que el alto del mismo. 1 1 . Método para utilizar un sistema de cultivo, CARACTERIZADO porque consiste en: a) Proveer una unidad de cultivo que consta de: - Un estanque de manto cilindrico y fondo cónico; - Una tapa transparente preferentemente de policarbonato de forma hexagonal instalada sobre dicho estanque; - Un primer aireador que transporta medio de cultivo y aire, consistente en un tubo recto cercano a la superficie de líquido y sobre él con un ángulo de entre 30° y 60° respecto a la superficie del líquido, que descarga al interior del estanque en forma tangencial al manto cilindrico de dicho estanque formando una corriente circular o vórtice que también forma parte del sistema de propulsión del medio de cultivo en el interior del estanque y trabaja en combinación con el primer aireador; - Un segundo aireador de PVC que transporta medio de cultivo y aire consistente en un tubo de forma semicircular con un tapón en un extremo, ubicado cerca del fondo de dicho estanque y que forma parte del sistema de propulsión del medio de cultivo en el interior del estanque, dicho primer aireador consta de perforaciones por donde se inyecta la mezcla de aire o gas y medio de cultivo al estanque, dichas perforaciones están dirigidas hacia el fondo del estanque; Una línea de recirculación desde el fondo del estanque a los aireadores semicircular y tangencial en la cual se inserta una línea de inyección de aire; - Una cañería y una válvula de entrada de gases; - Una cañería y una válvula de entrada de líquido por la cual se carga el estanque con medio de cultivo y microalgas; Una vez lleno el estanque, se inicia la recirculación cerrando la válvula de entrada de líquido y abriendo la válvula de entrada de gases; Abrir la válvula de entrada de gases para permitir que los gases empujen el medio de cultivo hacia arriba y se mezclen parcialmente en el agua, la cual vuelve al estanque entrando por los aireadores primario y secundario; Permitir que luego de dar vueltas por el sistema, el medio de cultivo vuelva al centro del estanque hacia la línea de recirculación; y Una vez realizadas las mediciones correspondientes, realizar la cosecha del medio utilizando la línea de recirculación.