FOTOCONVERTIDOR DE ENERGíA PARA LA OBTENCIóN DE BIOCOMBUSTIBLES

Campo técnico de Ia invención:

La presente invención está enmarcada dentro del diseño de fotoconvertidores de energía que actúan de forma continua y cerrada, para la producción de biocombustibles y de otros productos de interés, mediante el cultivo masivo de fitoplancton.

La invención se adscribe al sector técnico del aprovechamiento de las energías renovables, .mediante la acción- de organismos- fitoplanctóni&os- pertenecientes- normalmente a las siguientes familias taxonómicas: Cloro ficeas, Bacilliarioficeas, Dinoficeas, Criptoficeas, Crisoficeas, Haptoficeas, Prasinoficeas, Rafidoficeas... 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) o al menos una de sus fases planctónica (meroplanctónicas).

Particularmente mediante el uso de los convertidores de energía se consigue obtener productos tales como biocombustibles, productos secundarios tales como ñañas, queroseno, energía térmica, energía eléctrica...

Estado de Ia 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 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 bio carburantes están llamados a desempeñar un papel fundamental como sustitutos de los combustibles fósiles, especialmente para aplicaciones de transporte y calefacción.

-Los costes- de- producción d& biocarbur-aníes a partir de- plañías, 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.

El fitoplancton representa una solución viable al problema anteriormente enunciado puesto que en torno al 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 pahua. 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 fotoconvertidor 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.

Dentro del campo del diseño de fotoconvertidores para la producción de biocombustibles a través de microorganismos fotosintéticos, se podrían diferenciar de una manera clara dos tipos de fotoconvertidores: los abiertos, en los cuales se permite un intercambio- directo- de- materia entre el cultivo y- el aire que le rodea, y los - fotoconvertidores 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 fotoconvertidores abiertos presentan multitud de problemas derivados del escaso control de las condiciones de cultivo y posibles contaminaciones, por lo que se aplicación queda reducida debido a estos inconveniente. Sin embargo los fotoconvertidores 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.

Hasta el momento no se han descrito sistemas parecidos al fotoconvertidor 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 residuo, tales como el dióxido de carbono, 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... Por lo tanto en la presente invención se describe un sistema novedoso (fotoconvertidor) 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 Al 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 dia/noche) y es abierto, no siendo su medio líquido axénico. No controla las concentraciones de nitrógeno y dióxido de carbono, con la finalidad de aumentar la producción de biocombustibles. No está pensado para trabajar con cepas- algales-monoespeGíficas-ni-monoclonales. Su diseña 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.

En comparación con la presente invención objeto de patente, se presenta un sistema totalmente novedoso, que se basa por contrapartida en las siguientes características:

Es totalmente cerrado.

Es totalmente axénico.

Trabaja en continuo. - Trabaja con cepas mono específicas y monoclonales.

No acepta cualquier organismo fotosintético, sino que exige al menos que no sean formadores bioincrustaciones sobre la superficie interior del fotoconvertidor.

Exige que las especies de fitoplancton no formen colonias. - Exigen que las especies de fitoplancton no genere exomucílagos.

- Exige que la especie cultivada contenga al menos un 5% de ácidos grasos.

- Potencia la utilización de especies fitoplanctónicas no flageladas y flotantes.

- No acepta cualquier tipo de líquidos como medio de cultivo, se centra en el agua dulce, salobre y de mar.

Centra su principal objetivo en la obtención de compuestos de síntesis metabólica con propiedades energéticas o con propiedades preenergéticas dirigidas fundamentalmente a la obtención de biocombustibles.

Descripción

La presente invención se refiere a un foto convertidor de energía para la obtención de biocombustibles y otros productos secundarios no por ello de menor importancia. Dicho fotoconvertidor utiliza un sistema de control de flujo de tipo Tichelmann, que ello permite dar igualdad de-presión a cualquier parte del misma y de esta manera se controla la extracción de manera continua.

Un primer aspecto de la presente invención consiste en un fotoconvertidor que está constituido por al menos los siguientes elementos:

- al menos 50 torres de decantación, extracción y control de flujo (1) por hectárea de superficie utilizada.

- al menos 15 tubos para la realización de fotosíntesis (2) por cada torre de decantación, extracción y control de flujo (1).

- al menos 20 tanques de mezcla y compensación (3) por hectárea de superficie utilizada. - al menos 15 bombas de recirculación (4) por hectárea de superficie utilizada.

- al menos 15 intercambiadores de calor (5) para mantener la temperatura del fotoconvertidor por hectárea de superficie utilizada.

- al menos 15 atemperadores (6) para la disminución de la temperatura de entrada de dióxido de carbono (6a), en adelante CO ₂ , por hectárea de superficie utilizada. - al menos 50 válvulas electromagnéticas de cambio de flujo (8) por hectárea de superficie utilizada.

- al menos 50 válvulas electromagnéticas de extracción (9) por hectárea de superficie.

- al menos 50 sensores de control (10) del medio de cultivo por hectárea de superficie.

- al menos 50 válvulas de extracción de oxígeno (11) por hectárea de superficie. - al menos 50 válvulas de extracción de hidrógeno (12) por hectárea de superficie.

- al menos 5 decantadores (14) por hectárea de superficie.

- el 100% de entradas de luz natural (15) de la superficie útil.

- al menos 100 lámparas de producción de luz artificial (16) por hectárea de superficie. - al menos 5 paneles de control (17) por hectárea de superficie.

- al menos 5 sistemas de recirculación (18) por hectárea de superficie.

- al menos 2 torres de refrigeración o condensadores (19) por hectárea de superficie.

- ú menos 50 densάaietros {2Q) -par hectárea de superficie,

- al menos 5 bombas de reintroducción (21) del líquido procedente de (14) por hectárea de superficie.

Las torres de decantación, extracción y control de flujo (1), contienen al menos densímetros (20), válvulas de extracción de oxígeno (11) situadas en la parte superior de las mismas y válvulas de extracción de hidrógeno (12) y tienen acoplados sensores de gas (13) los cuales actúan de tal manera que a mayor concentración de gas se abre. Son tubos transparentes de diámetro desde 0,80 a 1,50 metros con una altura desde 3 a 5 metros. Por otra parte también están equipados con válvulas de extracción electromagnética (9) en la parte inferior de los mismas y al lado de estos, inyectores de ionización (7) de nutrientes, válvulas de extracción de gases en la parte superior (11) y válvulas motorizadas de circulación de flujo de tipo Tichelmann.

Los tubos para la realización de la fotosíntesis (2) pueden estar orientados horizontal o verticalmente y están orientados perpendicularmente a las torres de decantación, extracción y control de flujo (1). Por otra parte en ellos se realiza la fotosíntesis mediante el fitoplancton presente en él y por ello estos tubos son preferentemente de material transparente para permitir el paso de la radiación electromagnética durante

las horas de sol. En este mismo sentido, contienen fibra óptica (Figura 2, 22) que actúa como difusor de la luz artificial interior. Otros elementos extemos de los tubos para la realización de la fotosíntesis (2) son los electroimanes (Figura 2, 24) que consiguen acelerar el intercambio electrónico molecular. Estos tubos tienen un diámetro comprendido dentro del intervalo de 100 a 200 milímetros, una longitud comprendida dentro del intervalo de 6 a 12 metros, una superficie útil de iluminación comprendida dentro del intervalo de 0,30 m ² /m y 0,70 m ² /m y un volumen interno comprendido dentro del intervalo de 7 1/m a 18 1/m. Existe una separación entre estos tubos de al menos 250 milímetros para permitir la difusión de luz.

Los tanques de mezcla y compensación (3) contienen nutrientes necesarios para el desarrollo y cultivo del fitoplancton contenido principalmente en (1) y (2). Tienen forma cilindrica, -son -de material- transparente y -tienen un volumen interno- comprendido dentro del intervalo de 500 a 3000 m ³ . Con respecto a los tanques de mezcla y compensación (3) son de material transparente, son cilindricos y están dispuestos verticalmente. Tienen un control de niveles y de entrada de nutrientes con sensores de pH, T ^a , concentración...

Las condiciones de cultivo del fitoplancton en los foto convertidores son las siguientes:

- Temperatura: desde 15 a 35 ⁰ C, preferentemente desde 20 a 3O ⁰ C.

- Intesidad de Luz solar: 600 a 800 vatios/m ² .

- Intensidad de luz artificial: 4 a 30 vatios/m ² . - Fotoperíodo: 12-24 horas.

- Salinidad: 0 por mil hasta 50 por mil.

- Concentración fitoplancton en el medio de cultivo: desde 1.000.000 de células/ml hasta 400.000.000 células/ml.

- pH: desde 7 a 8,4.

Cuando hablamos de nutrientes nos referimos a dióxido de carbono, en adelante CO ₂ ,

NOx, vitaminas, antibióticos, fungicidas, agua, oligoelementos y ácido ortofosfórico.

Los antibióticos añadidos al cultivo son una mezcla de penicilina y estreptomicina a un rango de concentraciones de 100 a 300 mg/1 cada uno de ellos, preferentemente se a un rango de concentraciones de 150 a 250 mg/1 y más preferentemente a una concentración de 200 mg/1 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/1 cada uno de ellos, preferentemente se a un rango de concentraciones de 150 a 250 mg/1 y más preferentemente a una concentración de 200 mg/1 para cada uno de los componentes de la mezcla.

El agua añadida para el cultivo del fitoplancton puede ser de tipo dulce, salobre o salada.

Las bombas de recirculación (4) son de tipo centrifugadoras y admiten un flujo comprendido dentro del intervalo de 4 a 100 cm/seg.

Los intercambiadores de calor (5) son de tipo laminar a placas, están controlados por sensores de temperatura y sirven para mantener la temperatura mediante agua procedente de las torres de refrigeración o condensador del sistema (19).

Los atemperadores (6) son de tipo laminar a placas y tienen la función de disminuir la temperatura de entrada del CO ₂ y NO _x (6a) procedentes de un gasificador de pirólisis.

Se entiende por gasificador de pirólisis aquel proceso de combustión que oscila entre los 800 y 1200 ⁰ C y que permite aprovechar y reciclar la mayoría de los residuos disponibles. El proceso peπnite tratar tanto residuos urbanos, industriales, bien segregados, bien mezclados. También se puede técnicamente y sin más dificultades

tratar en las mismas plantas industriales tóxicos hospitalarios, neumáticos, es decir, proponer una solución global y definitiva a los problemas planteados por los residuos. Entre las diversas ventajas es que el proceso es económicamente viable y menos costoso que cualquier otro proceso, y en particular, procesos de incineración, termólisis, o metanización, y (2) que el proceso es totalmente ecológico, sin ningún impacto medioambiental y ofrece una solución definitiva al problema de los residuos, es decir, una solución "vertedero cero". Mediante el gasificador de pirólisis se consigue que todos los residuos sean transformados en gas de síntesis, ácido clorhídrico, ácido fluorhídrico y sulfuro de hidrógeno que son estos tres últimos, tres productos de relativamente fácil inertización.

Se entiende por gas de síntesis a aquel que está compuesto por una mezcla de mαnóxido de carbono., en adelante CO, e hidrógeno, en adelante R _t , que se consigue a partir de una mezcla de metano, en adelante CH ₄ , y oxígeno, en adelante O ₂ , obtenido del aire y vapor de agua mediante un gasificador de pirólisis.

Adicionalmente el fotoconvertidor puede incluir al menos 50 dispersores de iones (7) por hectárea de superficie, de tal manera que ioniza los nutrientes y de esta manera se permite una mejor y más eficiente asimilación de los mismos por parte del fitoplancton contenido en (1) y (2). Entendemos por dispersor de iones a cualquier sistema conocido en el Estado de la Técnica capaz de ionizar moléculas.

Las válvulas electromagnéticas (9) de cambio de flujo o de extracción están situadas en la base de las torres de decantación, extracción y control de flujo (1) y dependen de fotoválvulas que operan por diferencia de intensidad lumínica entre dos puntos (apertura controlada).

Los sensores de control (10) controlan la temperatura, pH, la concentración de dióxido de carbono, de oxígeno, de oligoelementos, de antibióticos y de fungicidas.

Adicionalmente el fotoconvertidor puede contener al menos 5 sensores de gas (13) por hectárea de superficie.

Los decantadores (14) separan la biomasa producida por el fitoplancton del agua del medio de cultivo. Estos decantadores son de tipo estático. La biomasa separada, contiene entre otros productos y sin sentido limitativo, lípidos, hidratos de carbono y productos del metabolismo secundario del fitoplancton. Sobre los lípidos que están presentes en la biomasa separada por (14), se realiza una reacción de transesterificación de tal manera que se producen biocombustibles y otros productos energéticos.

A los hidratos de carbono obtenidos de la biomasa separada por (14) se le somete a una catálisis de- tal manera -que se obtienen naftas, querosenos, polímeros y gases procedentes de la catálisis de los hidratos de carbono.

Cuando hablamos de transesterificaciónj nos referimos a la reacción química mediante la cual se intercambia el grupo alcoxi de un éster por otro alcohol, como se muestra en la siguiente reacción:

C - CH ₃ + ROH < > C - CH ₃ + CH ₃ OH

/ /

CH ₃ O RO

Ester Alcohol Ester nuevo Alcohol nuevo

Para poder llevar a cabo la transesterificación de los lípidos obtenidos como parte de la biomasa producida por el fitoplancton, descrito es el presente procedimiento, se usa etanol y metanol procedentes de un reactor de tipo Fischer Tropsch que a su vez es alimentado mediante gas de síntesis, vapor de agua y calor procedentes de un gasificador por pirólisis de biomasa o desechos procedentes de vertederos. Por otra

parte el gasificador por pirólisis de biomasa produce CO ₂ y NO _x que son parte de los nutrientes utilizados para la alimentación y desarrollo del fitoplancton en cultivo presente en (1) y (2). Además los gases sobrantes del gasificador por pirólisis son reutilizados para la obtención de energía eléctrica y térmica, la cual está última se reutiliza para desalinizar.

Un sistema de tipo invernadero deja pasar la luz a las entradas de luz natural (15), las cuales están recubiertas por plástico translúcido, para limitar la intensidad de luz o radiación electromagnética dependiendo de la estación del año. En este mismo sentido la energía electromagnética suministrada comprende longitudes de onda del espectro que desde 430 a 690nm.

Por otra parte, las torres de decantación, extracción y control de flujo- (1) y tubos para- ^• la realización de fotosíntesis (2) contienen fibra óptica (Figura 2, 22), la cual está controlada por fotosensores (Figura 2, 23) que estos a su vez permitir medir la intensidad lumínica interior.

Los paneles de control (17) controlan la inyección de los diferentes nutrientes del flujo del medio de cultivo.

Los sistemas de recirculación (18) producen un efecto de tipo Venturi el cual consiste en que, en la corriente de un fluido dentro de un conducto cerrado disminuye la presión del fluido al aumentar la velocidad cuando pasa por una zona de sección menor. Si en este punto del conducto se introduce el extremo de otro conducto, se produce una aspiración del fluido contenido en este segundo conducto) de recirculación para evitar la destrucción de las algas por la presión.

Las bombas de reintroducción (21) de líquido están conectadas con los decantadores (14), de tal manera que el agua separada en (14) se recircula hasta (3) pasando por (21).

Otro aspecto de la presente invención son los productos que se obtienen mediante el foto convertidor, de tal manera que se obtienen principalmente biocombustibles, además de productos de farmacopea del tipo de los ácidos grasos y Luteína entre otros, 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 productos fertilizantes, agrícolas, industriales y ganaderos y energía térmica y eléctrica.

Breve descripción de las figuras:

La figura 1 muestra un esquema representativo del fotoconvertidor objeto de la presente invención con cada una de sus partes y conectores para el aprovechamiento de la energía, electromagnética solar y artificial _f con- el fin de- obtener entre otros- productos, biocombustibles.

La figura 2 muestra un esquema representativo de una sección de los tubos para la realización de fotosíntesis (2), con todos sus componentes tanto externos como internos.

Modo de realización:

Se introduce un inoculo de cepa fitoplanctónica por (3), se añade medio de cultivo y nutrientes que son detectados y regulados mediante (10) y (17). De esta manera se empieza la circulación para establecer un flujo continuo dentro del cual van a viajar las células fitoplanctónicas reproduciéndose al mismo tiempo a través de (1) en donde se está insuflando con dióxido de carbono (6a) procedente de (6) que controla la temperatura y es ionizado en (7) y luego pasarán a (2) captando la energía electromagnética mediante (15) y (16) y (22), para realizar la fotosíntesis.

Es allí donde se controla la intensidad luminosa mediante (23) y es en (24) en donde el campo electromagnético ayuda a la polarización de las moléculas de CO ₂ ayudando así a su disolución y de esta manera aumentar su biomasa, rica en lípidos, hidratos de carbono entre otros productos. A continuación va a pasar al siguiente (1) también con CO ₂ , generándose turbulencia y para poder estabilizarse el fitoplancton intenta flotar en el medio. Por cada etapa de turbulencia se pierde O ₂ mediante (11) y es detectado por (13), de igual manera para el H ₂ (12) y es detectado por (13). Se realiza un proceso de recirculación (8) dentro de un proceso de equilibrio de presión de tipo Tichelmann, hasta que la biomasa del fitoplancton sea suficiente y detectada por (20) para empezar parte de ella su extracción a través de (9) y desde allí va la parte extraída a (14), en el cual el agua se separa de la biomasa y es reconducida por (21) hasta los sistemas de recirculación de tipo Venturi (18), que va finalmente a (3) y a (1). La parte no extraída por falta de densidad y por- lo tanto no detectada -por (20), es reintroducida dentro del sistema por (4), pasando por el (5) para mantener su temperatura.