ES2307407B2 - Fotobiorreactor electromagnetico. - Google Patents

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Abstract

Fotobiorreactor electromagnético.
La presente invención se refiere a un fotobiorreactor electromagnético para la obtención de biomasa simulando las condiciones ambientales marinas, que comprende al menos los siguientes elementos: convertidores de biomasa octogonales (1), tanques de reserva de agua de mar (3), filtros de partículas (4), filtros de luz UV (5), tanques de alimentación y mezcla (6), bombas de alimentación de presurización (8), manómetros (9), controladores de presión (10), tanques de compensación (11), tanques de expansión con válvula de seguridad (12), intercambiadores de calor (13), termostatos de control de temperatura (14), tanques de realimentación de agua reciclada (15), bombas de reinyección (16), centrifugadoras de separación de biomasa del agua (17), atemperadores (18); paneles de control (25), bombas de recirculación (26), densímetros (27), sistemas de extracción mecánica de biomasa por centrifugación (32) y tanques de acumulación de biomasa (33).

Description

Fotobiorreactor electromagnético.
Campo técnico de la invención
La presente invención está enmarcada dentro del diseño de fotobiorreactores electromagnéticos que actúan de forma continua y cerrada, para la producción de biomasa con alto contenido energético en ácidos grasos, hidrocarburos y otros, como celulosa, silicatos y de otros productos de interés farmacéuticos, mediante el cultivo masivo de cepas fitoplanctónicas y zooplanctónicas autotróficas.
La invención se adscribe al sector técnico del aprovechamiento de las energías renovables mediante la acción de organismos fitoplanctónicos y zooplanctónieos, que son el primer y segundo escalón de la cadena trófica (en los dos primeros escalones de la cadena trófica, es donde se produce la máxima absorción y mínima pérdida de la energía electromagnética que entra en el ecosistema terrestre), y pertenecientes, los fitoplanctónicos normalmente a las siguientes familias taxonómicas: Cloroficeas, Bacilliarioficeas, Dinoficeas, Criptoficeas, Crisoficeas, Haptoficeas, Prasinoficeas, Rafidoficeas, Estigmatoficeas y los zooplanctónicos pertenecientes a las familias de los Copépodos, Taliaceos, Cladóceros Rotíferos y Decápodos...en general las familias taxonómicas que agrupan especies de la división cromófita caracterizadas todas ellas por ser organismos unicelulares, flagelados o no, y con una fase vital estrictamente planctónica (holoplanctónica) o al menos una de sus fases planctónicas (meroplanctónicas).
Las especies del grupo de los organismos fitoplanctónicos que se adscriben su uso a la presente invención y sin sentido limitativo son: Duanliella salina, Tetraselmis sp, Isochrysis galbana, Pavlova lutheri, Rhodomonas salina, Phaedoactylum tricornutum, Thalassiosira weissflogii y Chaetoceros socialis.
De esta manera enunciada anteriormente, se fomenta la captación masiva de gases con efecto invernadero, especialmente dióxido de carbono.
Estado de la técnica
Hasta la fecha, la obtención de biocombustibles se viene practicando a partir de cultivos de vegetales superiores, normalmente del grupo de las fanerógamas o plantas con flor (girasol, palmera, palmito,..), y normalmente sobre superficie terrestre (vegetales terrestres).
La obligación por parte de las zonas económicas de cumplir con los objetivos impuestos por el protocolo de Kyoto, sobre reducción de las emisiones de CO_{2}/SO_{2} y otros gases que producen el denominado efecto invernadero y lluvia ácida, está llevando a los países a buscar combustibles alternativos y renovables para evitar posibles sanciones fiscales.
Aunque en algunas regiones está aumentando la producción de energía solar y eólica, estas tecnologías resultan muy costosas y no son viables en todas las zonas climáticas. En estas condiciones, los biocarburantes están llamados a desempeñar un papel fundamental como sustitutos de los combustibles fósiles, especialmente para aplicaciones de transporte y calefacción.
Los costes de producción de biocarburantes a partir de plantas, como los aceites de palma y de colza, han sido siempre motivo de preocupación. Teniendo en cuenta los bajos índices de producción de aceite por hectárea, se necesitarían enormes cantidades de recursos para que se pudiera alcanzar una producción comercial. La tierra y el agua son dos recursos escasos y es preferible emplearlos para producir alimentos, que además resultan más rentables para los agricultores. Además el abonado intensivo se presenta como una forma de contaminación terrestre e hídrica de primera magnitud. Así mismo los monocultivos extensivos son uno de los principales enemigos de la biodiversidad.
Un estudio de la Universidad de Berckley, Natural Resources Research Vol 14 Nº 1 March 2005 pag 65-72 demuestra que una planta terrestre tal como el girasol gasta más energía que produce, por ejemplo, para la producción de 1.000 Kg de combustible de girasol que tiene un poder energético de 9.000.000 de Kcal, se tiene que gastar 19.000.000 millones de Kcal en energía, lo que corresponde a una emisión de CO_{2} superior a lo que emite un combustible fósil, por ejemplo la emisión de un coche de 135 cv sobre un recorrido de 100 Km emite un valor de 20 Kg de CO_{2} con un combustible fósil, cuando se utiliza un combustible a base de girasol, la emisión combinada total sería de 36 Kg de CO_{2}, sin embargo cuando el combustible viene a base de fitoplancton la parte de CO_{2} que ha absorbido el alga que se ha quedado en forma de celulosa u otro, nos da un resultado negativo de -6 Kg de CO_{2}. Por lo tanto se ve claramente la necesidad de generar sistemas que aprovechen el uso del fitoplancton para generar energía limpia y que no afecte negativamente a la tierra.
El fitoplancton representa una solución viable al problema anteriormente enunciado puesto que alrededor del 50% de la masa en seco de los organismos unicelulares en general es biocarburante. Por otra parte, la producción anual por hectárea de biocombustible a partir de fitoplancton es 40 veces más alta que con el siguiente producto más rentable, el aceite de palma. Un inconveniente es que la producción de aceite de fitoplancton requiere cubrir vastas extensiones de tierra con agua poco profunda, así como la introducción de grandes cantidades de CO_{2}, un elemento fundamental para que el fitoplancton produzca aceite. Los sistemas de producción natural, como los estanques de fitoplancton, tienen un coste relativamente bajo, pero el proceso de recogida resulta muy laborioso y, por ello, costoso. Por otra parte, los cultivos de fitoplancton se llevan a cabo en sistemas abiertos, lo cual hace que sean vulnerables a la contaminación y a problemas de los cultivos, los cuales pueden llevar a la pérdida total de la producción. En este mismo sentido una ventaja del fotobiorreactor electromagnético descrito en la presente invención es que el sistema se mantiene cerrado y en condiciones tales que no se produce contaminación en el cultivo por bacterias, hongos... porque además de estar cerrado, el cultivo es enriquecido mediante nutrientes que incorporan fungicidas y antibióticos y favorecen el crecimiento fitoplanctónico en un medio axénico.
Dentro del campo del diseño de fotobiorreactores electromagnéticos para la producción de biocombustibles a través de microorganismos fotosintéticos, se podrían diferenciar de una manera clara dos tipos de fotobiorreactores: los abiertos, en los cuales se permite un intercambio directo de materia entre el cultivo y el aire que le rodea, y los de tipo fotobiorreactor electromagnético cerrados, en los que este intercambio se elimina mediante la interposición de un medio físico transparente que permite el paso de la radiación electromagnética pero no el intercambio de materia. Los fotobiorreactores electromagnéticos abiertos presentan multitud de problemas derivados del escaso control de las condiciones de cultivo y posibles contaminaciones, por lo que su aplicación queda reducida debido a estos inconvenientes. Sin embargo los fotobiorreactores electromagnéticos cerrados, reducen de manera eficiente estos problemas mediante un mayor control de las condiciones de cultivo y posibles contaminaciones y pueden llegar a una tasa de producción de 400 veces más que el girasol.
Por otra parte existen documentos como el WO2005059087, que describe un fotobiorreactor para la obtención de biomasa, que comprende fotoconvertidores de biomasade tipo rectangular, de placas planas, cilíndrico, tubular u otra forma geométrica, distribuidos espacialmente en una estructura de tipo modular. El fotobiorreactor puede funcionar de forma continua gracias a las entradas de luz natural que genera la disposición modular de los fotoconvertidores, y a las lámparas para la producción de luz artificial,; instaladas en el interior de los fotoconvertidores. El fotoconvertidor contiene dos zonas de cultivo en las que se inyecta dióxido de carbono para la realización de la fotosíntesis. Además el fotoconvertidor comprende un intercambiador de calor para controlar la temperatura del medio de cultivo, unos medios de agitación mecánica y se puede operar de forma continua mediante una bomba o de forma discontinua.
Sin embargo este tipo de fotobioreactores trabajan con volúmenes pequeños lo que hace que no sean comparables con los fotobioreactores descritos en la presente invención, puesto que la producción y condiciones de trabajo no pueden ser escalables. Además este tipo de fotobiorreactor tiene el problema de que puede sufrir los efectos de la contaminación debido a que es un sistema abierto, además de carecer de medios antibióticos que puedan eliminar la posibilidad de aparecer especies competidoras que hagan que el rendimiento del sistema disminuya sustancialmente. En este mismo sentido, puntualizar que el cultivo tipo "batch" como es el caso de esta solicitud de patente PCT, si bien es quizás el más difundido, es el que menos posibilidades de control ofrece. Una vez sembrado el medio de cultivo y fijada la temperatura, las células quedan "libradas a su propia suerte" o, dicho de otro modo, a su propia potencialidad, que se manifiesta creciendo a la máxima velocidad que le permite el medio de cultivo empleada, siendo el operador un- mero espectador de los acontecimientos. Lo cual es un problema a nivel de producción. Además este tipo de fotobiorreactor no cuenta con un medio que haga que el proceso fotosintético se acelere y genere una mayor producción, como es la aplicación de campos electromagnéticos que influyen directamente sobre el metabolismo celular acelerándolo y haciéndolo más efectivo. Al aplicar un medio que genera un campo electromagnético, este genera una nube electrónica dando lugar al efecto fotoeléctrico lo cual hace que el efecto excitatorio de los electrones en todo el sistema produzca un alto y eficaz rendimiento. Por último este tipo de fotobioreactores no evitan un gran problema como es el del efecto sombra, puesto que al no tener medios que generen turbulencias, el cultivo en principio es "estático" y por lo tanto habrá puntos en los cuales los distintos microorganismos fotosintéticos no puedan ser capaces de captar la luz necesaria para llegar a cabo una fotosíntesis efectiva. Además la disposición de estos fotobioreactores incrementa este problema de efecto sombra.
En este mismo sentido existen documentos como el LI, Z-Y, et al. Effects of electromagnetic field on the batch cultivation and nutricional composition of Spirulina platenses in an air-lift photobioreactor. Bioresource Technology 2007, vol 98, páginas 700-705, que describen los efectos del electromagnetismo en cultivos tipo batch de microorganismos en fotobioreactores.
Hasta el momento no se han descrito sistemas parecidos al fotobiorreactor electromagnético objeto de la presente invención, que incorporen las ventajas de ser un sistema cerrado de gran volumen y grandes diámetros, que trabaje en continuo, que permita obtener grandes cantidades de biocombustibles o productos secundarios tales como las naftas, la glicerina, compuestos derivados del silicio, como los ferrosilicatos, que además pueda obtener energía térmica y eléctrica y que no genere contaminación puesto que todos los posibles residuos, tales como el dióxido de carbono (CO_{2}), son recirculados en el sistema para su aprovechamiento como nutriente para el fitoplancton, o que recircule el agua utilizada como parte del medio de cultivo para volver a ser utilizada, y no solo esto, sino que reducen de forma significativa el CO_{2} atmosférico y por lo tanto el efecto invernadero.
El fotobiorreactor electromagnético por su capacidad de acelerar la reproducción del fitoplancton mediante mitosis y su capacidad aceleradora de la fotosíntesis, se puede llegar a tasas de producción muy elevadas, casi equivalente al poder energético de los hidrocarburos fósiles sin azufre. La presente invención, tiene la capacidad de recrear un ambiente equivalente al mar (luz, temperatura y presión) a una profundidad donde se cultivan y desarrollan este fitoplancton de manera natural. Una característica fundamental de la presente invención es que el sistema del fotobiorreactor electromagnético regula las condiciones de cultivo de fitoplancton, como la temperatura, presión y luz. De esta manera se facilita la regulación térmica del sistema, lo que a su vez facilita el control de las poblaciones fitoplanctónicas que se están cultivando y disminuyen los costes energéticos necesarios para mantener las condiciones homeotérmicas en el sistema de cultivo. Y como segunda característica garantiza la disponibilidad de agua sin ningún tipo de limitación y gastos elevados en infraestructuras.
Otra ventaja que presenta el fotobiorreactor electromagnético es que está constituido de tal manera que dispone de un campo eléctrico y otro magnético que como fin último; hace que la producción de fitoplancton se vea elevada e influye en el intercambio electrónico comprendido dentro de la fotosíntesis.
Por lo tanto en la presente invención se describe un sistema novedoso que incluye todas estas características y que permite una gran versatilidad y, un gran respeto hacia el medio ambiente.
La solicitud de patente WO 03/094598 A1 con título "Photobioreactor and process for biomass production and mitigation of pollutants in flue gases" describe un modelo de fotobiorreactor genérico principalmente centrado en la descontaminación de gases tipo COx, SOx y NOx. -Básicamente es un sistema que trabaja en discontinuo (distinguiendo fotoperíodo día/noche) y es abierto, no siendo su medio líquido axénico. No controla las concentraciones de nitrógeno y dióxido de carbón, con la finalidad de aumentar la producción de biocombustibles. No está pensado para trabajar con cepas algales monoespecíficas ni monoclonales. Su diseño no contempla como principal objetivo la producción de biocombustibles, sino que se centra en la depuración de gases. Por otra parte respecto de los organismos fotosintéticos a los que hace referencia no exige condiciones que inhabiliten el sistema y no tiene recirculación controlada porque el transporte se hace por flujo turbulento de burbujas y están muy lejos del ambiente marino planctónico.
En comparación con la presente invención objeto de patente, se presenta un sistema totalmente novedoso, que se basa por contrapartida en las siguientes características:
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Es totalmente cerrado.
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Es totalmente axénico.
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Tiene presente un campo eléctrico y otro magnético que influye favorablemente en el desarrollo de la fotosíntesis y de la mitosis. En definitiva es un sistema que acelera el proceso natural de fotosíntesis y transformación de energía electromagnética en biomasa.
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Trabaja en continuo sin distinguir fotoperíodo.
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Trabaja con cepas mono específicas y monoclonales.
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Acepta cultivos mixtos autotrofo-autotrofo, autotrofo-heterótrofo, heterótrofo facultativo-heterótrofo facultativo.
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No acepta cualquier organismo fotosintético, sino que exige al menos que no sean formadores bioincrustaciones sobre la superficie interior del fotobiorreactor electromagnético.
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Acepta organismo heterótrofos facultativos.
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Exige quedas especies de fitoplancton no formen colonias.
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Exige que las especies de fitoplancton no genere exomucílagos.
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Exige que la especie cultivada contenga al menos un 5% de ácidos grasos y al menos un 5% de hidrocarburos.
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Potencia la utilización de especies fitoplanctónicas no flageladas y flotantes.
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No acepta cualquier tipo de líquidos como medio de cultivo, se centra en el agua dulce, salobre y de mar.
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Necesita condiciones equivalentes al marino entre 15 y 50 metros de profundidad (presión, temperatura e iluminación).
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Centra su principal objetivo en la obtención de compuestos de síntesis metabólica con propiedades energéticas o con propiedades pre-energéticas dirigidas fundamentalmente a la obtención de biocombustibles.
Descripción
La presente invención se refiere a un fotobiorreactor electromagnético (Figura 1) para la obtención de biocombustibles, entre ellos y sin sentido limitativo, biopetroleo, para la fijación de dióxido de carbono (CO_{2}), gases con efecto invernadero y otros productos secundarios no por ello de menor importancia, tales como borosilicatos, celulosa, ácidos grasos tipo omega 3 y productos secundarios de interés farmacéutico.
Se entiende por un fotobiorreactor electromagnético, un sistema que utiliza elementos naturales como la fotosíntesis, mitosis y el electromagnetismo, de tal manera que el fitoplancton sirve como vehículo de captación, transporte y transformación de energía. En definitiva es un sistema que acelera el proceso natural de fotosíntesis y transformación de energía electromagnética en biomasa.
Se entiende por biopetróleo un líquido energético producido mediante la conversión de energía electromagnética en energía química mediante la fotosíntesis y es concentrado en la biomasa fitoplanctónica que es del mismo origen que el combustible fósil, petróleo, pero en la presente invención se ha conseguido extraer el mismo producto energético sin que se fosilizase.
Dicho fotobiorreactor electromagnético actúa de forma continua y cerrada, para la producción de biocombustible y de otros productos de interés, mediante el cultivo masivo de cepas fitoplanctónicas autotróficas.
Por otra parte utiliza un sistema de control de flujo de tipo Tichelmann, que ello permite dar igualdad de presión a cualquier parte del mismo y de esta manera se controla la extracción de manera continua.
Un primer aspecto de la presente invención consiste en un sistema compuesto por fotobiorreactores electromagnéticos para la obtención de biomasa simulando las condiciones ambientales marinas, que son sistemas cerrados que trabajan en continuo, que comprende tanques de reserva de agua de mar (3) con un volumen interno comprendido dentro del intervalo de 1 a 20 m^{3}, tanques de alimentación y mezcla (6) con un volumen interno de 3 a 14 m^{3} que contienen al menos flotadores de control de nivel (7) y fotoconvertidores de biomasa (1) dispuestos en estructura tipo colmena o módulo que comprenden:
a.
dos reservorios octogonales dispuestos uno en la cara superior y el otro en la inferior;
b.
una parte central cilíndrica;
c.
sistemas electromagnéticos (34 y 35);
d.
válvulas de inyección de turbulencias dispuestas de forma helicoidal (30); y
e.
dispersores de iones (36).
- Los fotoconvertidores de biomasa (1) tienen dos reservorios uno superior y otro inferior con estructura externa que se disponen en estructura tipo colmena o módulo (Figura 2) por cada de fotobiorreactor electromagnético (Figura 1) que a su vez en la parte central son de tipo circular concéntrico monocámara, circular concéntrico bicámara, o de tipo circular que contiene tubos verticales dispuestos alrededor de un pozo central de luz.
Cada fotoconvertidor de biomasa (Figura 2) esta dispuesto de tal manera que el conjunto de varios de ellos formen una estructura de tipo colmena o módulo (Figura 3), dejando pasar la luz natural entre los intersticios (2a y 2b) creados por dicha disposición octogonal. El paso de luz natural creado entre los intersticios, sirve de paso a la luz natural dentro de cada fotoconvertidor de biomasa (1) (Figura 1), y de esta manera se consigue la difusión continua y homogénea de la luz dentro del conjunto tal como se produciría bajo el nivel del mar.
El conjunto de fotoconvertidores de biomasa módulos y el resto de los elementos constituyentes del sistema forman el fotobiorreactor electromagnético (Figura 1), que además de los elementos mencionados anteriormente, también comprenden:
-
al menos 1 filtro de partículas (4) por cada fotobiorreactor electromagnético.
-
al menos 1 filtro de luz UV (5) por cada fotobiorreactor electromagnético.
-
al menos 1 bomba de alimentación de presurización (8) por cada fotobiorreactor electromagnético.
-
al menos 1 manómetro (9) y al menos un controlador de presión (10) por cada fotobiorreactor electromagnético.
-
al menos 1 tanque de compensación (11) por cada fotobiorreactor electromagnético.
-
al menos 1 tanque de expansión con válvula de seguridad (12) por cada fotobiorreactor electromagnético.
-
al menos 1 intercambiador de calor (13) para mantener la temperatura del medio de cultivo por cada de fotobiorreactor electromagnético.
-
al menos 1 termostato de control de temperatura (14) por cada fotobiorreactor electromagnético.
-
al menos 1 tanque de realimentación de agua reciclada (15) proveniente de al menos 1 centrifugadora (17) por cada fotobiorreactor electromagnético.
-
al menos 1 bomba de reinyección (16) por cada fotobiorreactor electromagnético.
-
al menos 1 centrifugadora de separación de la biomasa del agua (17) por cada fotobiorreactor electromagnético.
-
al menos 1 atemperador para la disminución de la temperatura de entrada de dióxido de carbono (18), en adelante CO_{2}, por cada fotobiorreactor electromagnético.
-
al menos 2 válvulas electromagnéticas de cambio de flujo (19) por cada fotoconvertidor de biomasa.
-
al menos 1 válvula electromagnética de extracción de biomasa (20) por cada fotoconvertidor de biomasa (1) y todas las válvulas del conjunto controladas por los sensores de control y un sistema central de coordinación para asegurar un flujo continuo de extracción, garantizando una reproducción de células máxi- ma.
-
al menos 3 sensores de control del medio de cultivo (21) por cada fotoconvertidor de biomasa.
-
al menos 1 válvula de extracción de oxígeno (22) por cada fotoconvertidor de biomasa.
-
al menos 1 válvula de extracción de hidrógeno (23) por cada fotoconvertidor de biomasa.
-
el 100% de entradas de luz natural (2a y 2b) creadas por los intersticios generados por la disposición de los fotoconvertidores de biomasa. al menos 1 lámpara de producción de luz artificial (24) por cada fotoconvertidor de biomasa.
-
al menos 1 panel de control (25) por cada fotobiorreactor electromagnético.
-
al menos 1 bomba de recirculación (26) por cada fotobiorreactor electromagnético.
-
al menos 1 densímetro (27) por cada fotobiorreactor electromagnético.
-
al menos 1 sistema rotatorio de limpieza (28) por cada fotoconvertidor de biomasa.
-
al menos 3 válvulas de inyección de dióxido de carbono (29) dispuestas de forma helicoidal alrededor de cada fotoconvertidor de biomasa.
-
al menos 1 sistema de extracción y regulación de las lámparas de luz artificial (31) por cada fotoconvertidor de biomasa.
-
al menos 1 sistema de extracción mecánica de la biomasa por centrifugación (32) por cada fotobiorreactor electromagnético.
-
al menos 1 tanque de acumulación de biomasa (33) que conecta con la centrifugadora.
-
al menos 1 sistema electromagnético, compuesto de un campo eléctrico (34) y otro magnético (35), responsable de acelerar el intercambio molecular y electrónico, por cada fotoconvertidor de biomasa.
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Los fotoconvertidores de biomasa son de material transparente preferiblemente PVC, vidrio, policarbonato y/o metacrilato y pueden ser de tres tipos:
-
circular concéntrico monocámara.
-
circular concéntrico bicámara.
-
circular que contienen tubos verticales dispuestos alrededor de un pozo central de luz.
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En este mismo sentido, fotoconvertidores de biomasa (Figura 2) circulares concéntricos monocámara comprenden los siguientes elementos:
-
pozos verticales de acceso de control, mantenimiento y emisión de luz artificial, los cuales tienen un diámetro comprendido desde 20 centímetros a 2 metros y una altura comprendida desde 5 a 30 metros.
-
cámaras de fotosíntesis.
\newpage
Los fotoconvertidores de biomasa (Figura 2) circulares concéntricos bicámara contienen el siguiente elemento:
-
pozos verticales de acceso de control, mantenimiento y emisión de luz artificial (24).
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Los fotoconvertidores de biomasa (Figura 2) comprenden al menos los siguientes elementos:
-
tubo vertical de control de luz artificial (24).
-
válvulas de inyección de CO_{2} (29).
-
válvulas electromagnéticas de cambio de flujo (19).
-
entradas de luz natural (2a y 2b).
-
lámparas de producción de luz artificial (24).
-
fitoplancton (37) que está presente en el medio de cultivo dentro del fotoconvertidor de biomasa.
-
sensor de control de cultivo (21).
-
sistemas de iluminación interna (24).
-
válvulas de extracción de gases (23 y 22).
-
válvulas electromagnéticas de extracción de biomasa (20).
-
sistemas rotatorios de limpieza (28).
-
sistemas de extracción y regulación de las lámparas de producción de luz artificial (31).
En este mismo sentido los fotoconvertidores de biomasa (1) (Figura 2) están caracterizados porque comprenden dos reservorios octogonales, dispuestos uno en la cara superior y el otro en la inferior. La parte central cilíndrica de los fotoconvertidores son de diámetro inferior a estos reservorios, para permitir la difusión de luz y temperatura ambiental dentro de los módulos (Figuras 2 y 3). De tal manera que la disposición de dichos reservorios crea la forma de los módulos o colmenas (Figura 3), generando de esta manera los intersticios (2a y 2b) y un conjunto monolítico homogéneo de luz y temperatura.
Los tanques de reserva de agua de mar (3) son cilíndricos o poliédricos de material de fibra de vidrio, tienen un volumen interno comprendido dentro del intervalo de 1 a 20 m^{3}.
Los filtros de partículas (4) son preferiblemente de tipo de fibra de celulosa, fibra de vidrio y acetato de celulosa, dispuestos en una serie de tamices con un gradiente de poro comprendido desde las 50 micras de diámetro de poro hasta las 2 micras de diámetro de poro, cuya función es no permitir la introducción de partículas que sean distintas al agua de mar.
Los filtros de luz UV (5), los cuales atenúan las longitudes de onda superiores a los 700 nm, con la función de evitar la inhibición de la fotosíntesis y por tanto de una caída de la producción fitoplanctónica general.
Los tanques de alimentación y mezcla (6) son cilíndricos o poliédricos de material transparente preferentemente de PVC, policarbonato y/o metacrilato, tienen un volumen interno comprendido dentro del intervalo de 3 a 14 m^{3}. En este mismo sentido, los tanques de alimentación y mezcla, contienen la mezcla de nutrientes y gases necesarios para el desarrollo y cultivo del fitoplancton. Por otra parte recibe el líquido procedente de la centrifugadora a través de la bomba de reinyección (16).
Los flotadores (7) son para el control de nivel del tanque de alimentación e impulsan la apertura de la válvula de entrada del agua del mar del tanque de reserva (3).
La bomba de alimentación y presurización (8) son de tipo centrifugadoras que puede trabajar hasta una presión de 10 Kg/cm^{2}.
El controlador de presión (10) regula el funcionamiento de la bomba de alimentación (8), en función de la presión deseada dentro del circuito.
Los tanques de compensación (11) son de material transparente preferentemente de PVC, policarbonato y/o metacrilato cuya función es compensar las diferentes extracciones de producto y compensar las bajadas de presión creadas por las diferentes extracciones. Siempre debe tener un volumen interno que equivalga al total del volumen de los fotoconvertidores de biomasa (1).
El tanque de expansión con válvula de seguridad (12), es de metal inoxidable en una membrana interna elástica para la absorción de las pequeñas variaciones de presión y volumen comprendido entre el 1 y el 2% del volumen total del fotobiorreactor electromagnético.
Los intercambiadores de calor (13) sirven para mantener la temperatura del sistema y son de tipo laminar a placas.
El tanque de realimentación de agua reciclada (15), es transparente de fibra de vidrio.
Las bombas de reinyección (16) son de tipo centrifugadoras que puede trabajar hasta una presión de 10 Kg/cm^{2}.
Las centrifugadoras (17) son de tipo rotativas de plato.
Los sensores de control del medio de cultivo (21) son fotómetros, pHmetros, sondas de temperatura, sondas de CO_{2}, sondas de O_{2}.
Los fotómetros, son medidores de intensidad luminosa, mediante la técnica de fotodiodo y trabajan en el rango de medida de 0 a 200 micromoles de fotones/m^{2}s con una resolución mínima de 0,5 micromoles de fotones/m^{2}s y un error siempre inferior al 4% de la medida. Dispondrán de sonda de lectura y serán monitorizados de forma que permitan la apertura y cierre de las válvulas que mandan el producto a la centrífuga.
Las válvulas de extracción de oxígeno (22) e hidrógeno (23) son de tipo hidroneumáticas.
Las entradas de luz natural (2a y 2b) están recubiertas por plástico translucido.
Las lámparas de producción artificial (24) tienen una intensidad de 1 a 50 vatios/m^{2}.
Los paneles de control (25), controlan la inyección de los diferentes nutrientes, gases, temperatura, pH, salinidad y conductividad del medio de cultivo.
La bomba de recirculación (26) es de tipo centrifugadora.
Los sistemas rotatorios de limpieza (28) tienen forma de bolas unidas por un hilo central que mediante un sistema de movimiento rotatorio helicoidal centrífugo va recorriendo las paredes internas del fotoconvertidor de biomasa (1) manteniendo su limpieza.
Las válvulas de inyección de CO_{2} (29), se comunican con los dispersores de iones (36) y además están dispuestas de forma helicoidal alrededor del fotoconvertidor de biomasa (1).
Las válvulas de inyección de turbulencias (30) están dispuestas de forma helicoidal por cada fotoconvertidor de biomasa (1).
En los sistemas de extracción mecánica por centrifugación (32) e separa la biomasa (que contiene lípidos, hidratos de carbono, celulosas, hemicelulosas y productos del metabolismo secundario) del medio líquido de cultivo.
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Las condiciones de cultivo del fitoplancton presente en los fotoconvertidores de biomasa para la realización de fotosíntesis son:
-
temperatura constante dentro del intervalo de 20 a 25ºC.
-
intensidad de luz solar desde 200 a 900 vatios/m^{2}.
-
longitudes de onda dentro del intervalo de 400 a 700 nm.
-
intensidad de luz artificial desde 1 a 50 vatios/m^{2}.
-
los fotoperíodos en función de la cepa cultivada oscilarán dentro de los siguientes rangos:
\circ
\vtcortauna 24:0 horas (luz/oscuridad).
\circ
\vtcortauna 16:8 horas (luz/oscuridad).
\circ
\vtcortauna 18:6 horas (luz/oscuridad).
\circ
\vtcortauna 20:4 horas (luz/oscuridad).
\circ
\vtcortauna 12:12 horas (luz/oscuridad).
\newpage
-
Salinidad:
\circ
\vtcortauna Cepas de agua salada: 20\textperthousand-40\textperthousand.
\circ
\vtcortauna Cepas de agua salobre: 8\textperthousand-20\textperthousand.
\circ
\vtcortauna Cepas de agua dulce: 0,2\textperthousand-8\textperthousand.
-
Concentración de fitoplancton en el medio de cultivo desde 30 millones de células/ml a 500 millones de células/ml.
-
pH desde 6,5 a 8,9.
-
Presión de 1 a 5 atmósferas.
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La difusión de luz seria similar a la difusión en medio acuático a partir de 15 metros de profundidad.
Los organismos utilizados para la presente invención son de tipo fitoplanctónico y/o zooplanctónico pertenecientes, los fitoplanctónicos normalmente a las siguientes familias taxonómicas: Cloroficeas, Bacilliarioficeas, Dinoficeas, Criptoficeas, Crisoficeas, Haptoficeas, Prasinoficeas, Rafidoficeas, Estigmatoficeas y los zooplanctónicos pertenecientes a las familias de los Copépodos, Taliaceos, Cladóceros Rotíferos y Decápodos...en general las familias taxonómicas que agrupan especies de la división cromofita caracterizadas todas ellas por ser organismos unicelulares, flagelados o no, y con una fase vital estrictamente planctónica (holoplanctónica) ó al menos una de sus fases planctónicas (meroplanctónicas).
Las especies del grupo de los organismos fitoplanctónicos que se adscriben su uso a la presente invención y sin sentido limitativo son: Duanliella salina, Tetraselmis sp, Isochrysis galbana, Pavlova lutheri, Rhodomonas salina, Phaedoactylum tricornutum, Thalassiosira weissflogii y Chaetoceros socialis.
Las cepas iniciales para la inoculación de fotoconvertidor de biomasa estarán mantenidas en agua de mar microfiltrada sobre filtros de acetato de celulosa de 0,45 micras y posterior refiltrado de 0,20 micras y finalmente esterilizadas mediante rayos UV. El medio de cultivo de los fotoconvertidores se mantendrá estéril y axénico mediante antibióticos, fungicidas.
Los antibióticos añadidos al cultivo son una mezcla de penicilina y estreptomicina a un rango de concentraciones de 100 a 300 mg/l cada uno de ellos, preferentemente se a un rango de concentraciones de 150 a 250 mg/l y más preferentemente a una concentración de 200 mg/l para cada uno de los componentes de la mezcla.
Los fungicidas añadidos al cultivo son una mezcla de griseofulvira y nistatina a un rango de concentraciones de 100 a 300 mg/l cada uno de ellos, preferentemente se a un rango de concentraciones de 150 a 250 mg/l y más preferentemente a una concentración de 200 mg/l para cada uno de los componentes de la mezcla.
El medio de cultivo utilizado es para sostener biomasas superiores a los 100 millones de células/ml siendo este medio de tipo Guillard, de acuerdo con el protocolo recogido por Robert A., Andersen en el libro Algal Culturing Techniques con ISBN 0-12-088426-7. Editado por Elsevier en 2005 páginas 507-511.
Dicho medio ha sido modificado aumentando al doble las concentraciones de nitrógeno (N_{2}) con el objeto de superar concentraciones celulares superiores a los 125-millones de células/ml.
La esterilización de los fotobiorreactores electromagnéticos se realizará mediante lavado con una solución de agua y ácido clorhídrico (HCl) en concentraciones de 0,5 al 5% v/v y/o con agua e hipoclorito sódico (NaClO) en una mezcla v/v del 0,5 al 5% y se mantendrá al menos 24 horas todo ello sumergido en dicha solución.
Según un segundo aspecto fundamental de la presente invención, el uso del fotobiorreactor electromagnético es para la obtención de biocombustibles, para la obtención de productos de farmacopea del tipo de los ácidos grasos y Luteína, para la obtención de productos de cosmética del tipo de la glicerina, pigmentos y sustancias emulgentes, para la obtención de productos industriales con contenido en sílice del tipo de los borosilicatos y ferrosilicatos, para la obtención de productos fertilizantes, agrícolas, industriales y ganaderos para la obtención de celulosas y hemicelulosas, para la obtención de taninos y compuestos astringentes, para la fijación de CO_{2}, CH_{4}, SH_{2}, NO_{2}, NO_{3} y otros gases de efecto invernadero y cualquier sal derivada de la reacción de estos gases con el medio de culti-
vo.
Cuando se habla de nutrientes nos referimos a dióxido de carbono, en adelante CO_{2}, NOx, vitaminas, antibióticos, fungicidas, agua, oligoelementos y ácido ortofosfórico.
Breve descripción de las figuras
La figura 1 muestra un esquema representativo del fotobiorreactor electromagnético objeto de la presente invención con cada una de sus partes y conectores para el aprovechamiento de la energía electromagnética solar y artificial, con el fin de obtener entre otros productos, biocombustibles.
La figura 2 muestra un esquema representativo de una de las partes del fotobiorreactor electromagnético, los fotoconvertidores de biomasa (1), en los cuales se llevará a cabo la fotosíntesis y mitosis para la producción de biomasa y eliminación de CO_{2}, por parte del fitoplancton.
La figura 3 muestra un esquema representativo de la estructura en módulo o colmena de los fotoconvertidores de biomasa (1).
La figura 4 muestra la atenuación del CO_{2} atmosférico en concentración del 10% v/v mediante el uso de la cepa Nanochloropsis gaditana.
La figura 5 muestra la influencia del CO_{2} en el aumento de biomasa en un cultivo de una cepa tipo de Nanochloropsis sp, en donde NA representa dicha cepa tipo.
Modo de realización
La figura 4 muestra como a partir de un cultivo de 41 millones de células/ml en un intervalo de tiempo 310 minutos se ha conseguido, una reducción en una atmósfera enriquecida en CO_{2} al 10% de la totalidad del CO_{2} existente en dicha atmósfera, con un incremento en biomasa de 3,5 millones de células/ml. El cultivo se mantuvo estable a 22ºC y un pH constante de 8,2. Se mantuvo la iluminación en un fotoperíodo 18:6. Así mismo experiencias realizadas en atmósferas enriquecidas al 20% muestran una pauta similar y una proporcionalidad directa en el aumento de biomasa. La especie utilizada ha sido Nanochloropsis gaditana. La salinidad del medio era del 38 por mil y la experiencia se ha realizado en un fermentador cerrado de cultivo de 40 litros de volumen.
Las cepas iniciales para la inoculación de fotoconvertidor de biomasa están mantenidas en agua de mar microfiltrada sobre filtros de acetato de celulosa de 0,45 micras y posterior refiltrado de 0,20 micras y finalmente esterilizadas mediante rayos UV. El medio de cultivo de los fotoconvertidores se mantiene estéril y axénico mediante antibióticos, fungicidas.
Los antibióticos añadidos al cultivo son una mezcla de penicilina y estreptomicina a un rango de concentraciones de 100 a 300 mg/l cada uno de ellos, preferentemente se a un rango de concentraciones de 150 a 250 mg/l y más preferentemente a una concentración de 200 mg/l para cada uno de los componentes de la mezcla.
Los fungicidas añadidos al cultivo son una mezcla de griseofulvira y nistatina a un rango de concentraciones de 100 a 300 mg/l cada uno de ellos, preferentemente se a un rango de concentraciones de 150 a 250 mg/l y más preferentemente a una concentración de 200 mg/l para cada uno de los componentes de la mezcla.
En la Figura 5 se puede observar la diferencia en el crecimiento de dos cultivos de Nanochloropsis sp, cuya única diferencia estriba en la presencia o ausencia de aire enriquecido en CO_{2} al 5%. Como se puede observar en la figura, el crecimiento de la cepa con aire atmosférico presenta un desarrollo del orden de un 40% inferior al crecimiento de la cepa cultivada con aire enriquecido al 5% en CO_{2}. Esta experiencia ha sido realizada en un fotobiorreactor electromagnético de 0,5 m^{3} en condiciones de Temperatura, salinidad y pH igual que en el caso anterior.
La diferencia de rendimiento de la cepa con y de la cepa sin, se hace especialmente importante a partir del momento en el que se superan los 120 millones de células/ml.

Claims (26)

1. Fotobiorreactor electromagnético para la obtención de biomasa simulando las condiciones ambientales marinas, que comprende al menos. los siguientes elementos:
a.
filtros de partículas (4);
b.
filtros de luz UV (5);
c.
bombas de alimentación de presurización (8);
d.
manómetros (9);
e.
controladores de presión (10);
f.
tanques de compensación (11);
g.
tanques de expansión con válvula de seguridad (12);
h.
intercambiadores de calor (13);
i.
termostatos de control de temperatura (14);
j.
tanques de realimentación de agua reciclada (15);
k.
bombas de reinyección (16);
l.
centrifugadoras de separación de biomasa del agua (17);
m.
atemperadores (18);
n.
paneles de control (25);
o.
bombas de recirculación (26);
p.
densímetros (27);
q.
sistemas de extracción mecánica de biomasa por centrifugación (32); y
r.
tanques de acumulación de biomasa (33)
caracterizado porque es un sistema cerrado que trabaja en continuo que comprende tanques de reserva de agua de mar (3) con un volumen interno comprendido dentro del intervalo de 1 a 20 m^{3}, tanques de alimentación y mezcla (6) con un volumen interno de 3 a 14 m^{3} que contienen al menos flotadores de control de nivel (7) y fotoconvertidores de biomasa (1) dispuestos en estructura tipo colmena o módulo que comprenden:
a.
dos reservorios octogonales dispuestos uno en la cara superior y el otro en la inferior;
b.
una parte central cilíndrica;
c.
sistemas electromagnéticos (34 y 35);
d.
válvulas de inyección de turbulencias dispuestas de forma helicoidal (30); y
e.
dispersores de iones (36).
2. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 1, caracterizado porque los fotoconvertidores de biomasa (1) son internamente de tipo circular concentrico monocámara, circular concéntrico bicámara, o de tipo circular que contiene tubos verticales dispuestos alrededor de un pozo central de luz.
3. Fotobiorreactor electromagnético según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los fotoeonvertidores de biomasa (1) comprenden al menos los siguientes elementos:
a.
tubos verticales de control de luz artificial (24);
b.
válvulas electromagnéticas de cambio de flujo (19);
c.
válvulas electromagnéticas de extracción de biomasa (20);
d.
sensores de control del medio de cultivo (21);
e.
válvulas de extracción de oxígeno (22);
f.
válvulas de extracción de hidrógeno (23);
g.
entradas de luz natural (2a y 2b);
h.
lámparas de producción de luz artificial (24);
i.
sistemas rotatorios de limpieza (28);
j.
válvulas de inyección de dióxido de carbono dispuestas de forma helicoidal (29);
k.
sistemas de extracción y regulación de las lámparas de producción de luz artificial (31); y
l.
fitoplancton y/o zooplanctón presente en el medio de cultivo (37).
4. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 3, caracterizado porque el medio de cultivo comprende al menos los siguientes elementos:
a.
microorganismos;
b.
agua de mar microfiltrada;
c.
dióxido de carbono;
d.
NOx;
e.
vitaminas;
f.
oligoelementos;
g.
ácido ortofosfórico;
h.
antibióticos; y
i.
fungicidas.
5. Fotobiorreactor electromagnético según las reivindicaciones 3 y 4, caracterizado porque los microorganismos de tipo fitoplanctónico pertenecen a las especies Duanliella salina, Tetraselmis sp, Isochrysis galbana, Pavlova lutheri, Rhodomonas salina, Phaedoactylum tricornutum, Thalassiosira weissflogii y Chaetoceros socialis.
6. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 3, caracterizado porque los antibióticos son una mezcla de penicilina y estreptomicina y los fungicidas son una mezcla de griseofulvira y nistatina y están en un rango de concentraciones de 100 a 300 mg/l cada uno de ellos, preferentemente en un rango de 150 mg/l y más preferentemente en una concentración de 200 mg/l.
7. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 3, caracterizado porque los sensores de control del medio de cultivo (21) son fotómetros, pHmetros, sondas de temperatura, sondas de dióxido de carbono, y sondas de oxígeno.
8. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 7, caracterizado porque los fotómetros trabajan en un rango de 0 a 200 micromoles de fotones/m^{2}s, tienen una resolución mínima de 0,5 micromoles de fotones/m^{2}s y tienen un error inferior al 4% de la medida.
9. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 3, caracterizado porque las válvulas de extracción de oxígeno (22) e hidrógeno (23) son de tipo hidroneumáticas.
10. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 3, caracterizado porque las entradas de luz natural (2a y 2b) están recubiertas de plástico translúcido y las lámparas de producción artificial de luz (24), tienen una intensidad de 1 a 50 vatios/m^{2}.
11. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 3, caracterizado porque los sistemas rotatorios de limpieza (28) tienen forma de bolas unidas por un hilo central.
12. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 3, caracterizado porque las válvulas de inyección de dióxido de carbono (29) están dispuestas de forma helicoidal alrededor del fotoconvertidor de biomasa (1) y las válvulas de inyección de turbulencias (30) están dispuestas de forma helicoidal.
13. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 3, caracterizado porque el medio de cultivo presenta las siguientes condiciones:
a.
temperatura constante dentro del intervalo de 20 a 25ºC;
b:
longitudes de onda dentro del intervalo de 400 a 700 nm;
c.
intensidad de luz solar desde 200 a 900 vatios/m^{2};
d.
intensidad de luz artificial desde 1 a 50 vatios/m^{2};
e.
fotoperiodos desde 24:0 a 12:12 horas luz/oscuridad;
f.
salinidad desde 0,2\textperthousand a 40\textperthousand, preferentemente de 20\textperthousand a 40\textperthousand para cepas de agua salada, 8\textperthousand a 20\textperthousand para cepas de agua salobre y 0,2\textperthousand a 8% para cepas de agua dulce;
g.
presión desde 1 a 5 atmósferas;
h.
concentración de fitoplancton o zooplancton desde 30 a 500 millones de células/ml; y
i.
pH desde 6,5 a 8,9.
14. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 1, caracterizado porque los tanques de reserva de agua de mar (3) son cilíndricos o poliédricos de material de fibra de vidrio.
15. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 1, caracterizado porque los filtros de partículas (4) son de fibra de celulosa y/o fibra de vidrio y/o acetato de celulosa.
16. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 1, los tanques de alimentación y mezcla (6) son de tipo cilíndrico y/o poliédrico de material transparente, preferentemente de PVC, policarbonato y/o metacrilato.
17. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 1, caracterizado porque las bombas de alimentación y presurización (8) son de tipo centrifugadoras y trabajan en un intervalo desde 1 a 10 kg/cm^{2}.
18. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 1, caracterizado porque los tanques de compensación (11) son de material transparente preferentemente de PVC, policarbonato y/o metacrilato y los tanques de expansión con válvula de seguridad (12) son de metal inoxidable con una membrana interna elástica.
19. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 1, caracterizado porque los intercambiadores de calor (13) son de tipo laminar a placas.
20. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 1, caracterizado porque las bombas de reinyección (16) son de tipo centrifugadoras y trabajan en un intervalo desde 1 a 10 kg/cm^{2}.
21. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 1, caracterizado porque las centrifugadoras (17) son de tipo rotativas de plato.
22. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 1, caracterizado porque los paneles de control (25) controlan la inyección de los nutrientes, gases, temperatura, pH, salinidad y conductividad del medio.
23. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 1, caracterizado porque las bombas de recirculación (26) son de tipo centrifugadora.
24. Fotobiorreactor electromagnético según la reivindicación 1, caracterizado porque en los sistemas de extracción mecánica por centrifugación (32) se separa la biomasa (que contiene al menos lípidos, hidratos de carbono, celulosas, hemicelulosas y productos del metabolismo secundario) del medio líquido de cultivo.
25. Fotobiorreactor electromagnético según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la esterilización se realiza mediante lavado con una solución de agua y ácido clorhídrico en un intervalo de concentración de 0,5 a 5% v/v y/o con agua e hipoclorito sódico del 5% v/v y se mantienen al menos 24 horas sumergidos los fotobiorreactores.
26. Uso del fotobiorreactor electromagnético según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, para la obtención de biocombustibles, productos de farmacopea del tipo de los ácidos grasos y Luteína, productos de cosmética del tipo de la glicerina, pigmentos y sustancias emulgentes, productos industriales con contenido en sílice del tipo de los borosilicatos y ferrosilicatos, productos fertilizantes, agrícolas, industriales y ganaderos, celulosas y hemicelulosas, taninos y compuestos astringentes, para la fijación de CO_{2}, CH_{4}, SH_{2}, NO_{2}, NO_{3} y otros gases de gases de efecto invernadero y cualquier sal derivada de la reacción de estos gases con el medio de cultivo.
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