D E S C R I P C I Ó N OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un sistema modular de fotobiorreactores diseñado para el cultivo de algas. El objeto de la invención es un sistema modular de fotobiorreactores cerrados, destinado a su funcionamiento en interiores con iluminación por LEDs, de forma ininterrumpida y totalmente automatizada, con monitorización permanente de las variables del proceso, y control de la realimentación de C0 ₂ y de nutrientes, de la temperatura del agua a lo largo de todo el recorrido del fotobiorreactor, permitiendo un aprovechamiento máximo del espacio interior donde se encuentra dispuesto dicho sistema.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La producción ininterrumpida de aceite y biomasa de algas requiere tres fases diferenciadas: producción de algas, recogida de producto y procesamiento para la generación de aceite y biomasa para su uso, con el fin de producir biodiesel, cosméticos, productos farmacéuticos y otros productos.

En la actualidad el cultivo de algas se realiza fundamentalmente en estanques al aire libre, así como en fotobiorreactores fabricados con plástico o vidrio, que pueden presentar configuraciones tubulares con diámetros que varían principalmente desde los 10 cm hasta los 30 cm.

Estos sistemas se instalan generalmente en el exterior y funcionan mediante el bombeo de agua y algas, por un circuito en el que se inyecta dióxido de carbono en el tanque a través del cual se bombea. Con la acción de soleamiento se cultivan las algas a lo largo de dicho circuito. Sin embargo, estos sistemas no tienen ningún control sobre los espectros de luz a los que se ven sometidas las algas, ni sobre la cantidad de nutrientes, ni del dióxido de carbono que precisan, y tampoco controlan, ni determinan, la temperatura del agua en la que se produce el cultivo. Para un mayor control sobre los espectros de luz y para un adecuado control de la temperatura se contempla de forma alternativa la ubicación del fotobiorreactor en interiores, donde se aplica luz artificial con ausencia de los espectros infrarrojo y ultravioleta dañinos para las algas, y donde se controla cuando menos la temperatura del local en el que se encuentra ubicado el fotobiorreactor.

Asimismo y al objeto de proteger las algas se conoce el empleo de fotobiorreactores configurados por un circuito cerrado, de modo que, a diferencia de los sistemas abiertos y exteriores, se consigue proteger las algas de microorganismos y otros agentes dañinos que tienen efectos negativos sobre el crecimiento de las algas, así como evitan la infectación de las algas.

Entre los anteriores se encuentra la patente española ES2446640B1 de este mismo solicitante que divulga un fotobiorreactor para el cultivo de algas para su uso en interiores, que comprende unas luminarias tipo LED, y un conducto tubular cerrado hermético sobre el que se encuentran las luminarias, formado por varios tramos tubulares enfrentados y conectados entre sí por sus extremos. Dicho fotobiorreactor comprende adicionalmente unas boquillas de suministro ubicadas en la base de los tramos tubulares, una línea de suministro de C0 ₂ , una línea de suministro de nutrientes y varias líneas de suministro de agua acondicionada térmicamente, que se distribuyen próximas y a lo largo del recorrido del conducto tubular, que están conectadas a las mencionadas boquillas de suministro, y que están dotadas de válvulas de paso.

Este fotobiorreactor comprende además una serie de sensores uniformemente distribuidos por el conducto tubular que detectan la necesidad de incorporar nutrientes, de C0 ₂ y de aumentar o descender la temperatura del agua, y una unidad de control, a la que llegan las señales de los sensores, y que actúa automáticamente sobre las válvulas de paso de las líneas de suministro para suministrar un aporte adicional de C0 ₂ , nutrientes o agua acondicionada térmicamente a los diferentes tramos tubulares, en función de las necesidades del proceso de cultivo a la vista de las señales detectadas por los sensores, así como una planta de tratamiento ubicada al final del fotobiorreactor para el tratamiento final del producto. Debido a las grandes dimensiones del anterior fotobiorreactor es necesario disponer de grandes espacios interiores para llevar a cabo su instalación, además de elementos de cuelgue que soporten la iluminación por LEDs, lo que hace que el aprovechamiento de dicho espacio interior sea muy bajo, con el incremento de costes y de consumo de energía asociados.

La presente invención solventa todos los inconvenientes anteriores mediante un sistema modular de fotobiorreactores que permite un aprovechamiento máximo del espacio interior donde se encuentra dispuesto, así como un consumo de energía muy bajo.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El sistema modular de fotobiorreactores para el cultivo de algas de la presente invención comprende al menos dos fotobiorreactores de tipo tubular cerrado, diseñados para funcionar ininterrumpidamente en el interior de un local, en el cual se encuentran los tanques de almacenamiento situados al principio del sistema modular y los circuitos de procesamiento del producto ubicados al final del sistema modular para producir aceite y biomasa del alga, donde los al menos dos fotobiorreactores son acoplables uno al lado del otro y/o en altura.

El sistema modular de fotobiorreactores objeto de esta invención está automatizado en su totalidad para controlar el proceso de cultivo en cada uno de los tramos de cada uno de los fotobiorreactores, mediante la toma de datos y realimentación en cada uno de esos tramos, de los elementos y parámetros característicos del proceso de cultivo de las algas, preferentemente de la cantidad de nutrientes, cantidad de dióxido de carbono que precisa, y de la temperatura del agua en la que se produce el cultivo. Constituye por tanto un objeto de la presente invención la particular disposición del sistema modular de fotobiorreactores e instalaciones complementarias que facilitan la medida y suministro de nutrientes, dióxido de carbono y agua acondicionada térmicamente a lo largo de los tramos que definen cada uno de los fotobiorreactores, así como la regulación de los anteriores parámetros mediante una unidad de control. Cada uno de los fotobiorreactores del sistema modular de fotobiorreactores de la presente invención comprende una estructura metálica que comprende a su vez al menos dos tramos tubulares conectados por uno de sus extremos, donde en el interior de dichos tramos tubulares se encuentra dispuesto el cultivo de algas y donde entre dichos tramos tubulares se encuentra dispuesto otro tramo tubular que comprende unas luminarias tipo LED y unos cuerpos reflectores que reflejan la luz de las luminarias tipo LED y la transmiten hacia los tramos tubulares donde se encuentra dispuesto el cultivo de algas atravesando sus paredes laterales. Por otra parte es de destacar que los tramos tubulares de cada biorreactor donde se encuentra dispuesto el cultivo de algas presentan una sección de configuración trapecial, con sus lados laterales de inclinación convergente inferiormente, en el que dichos laterales están fabricados con vidrio térmico para reducir al máximo las pérdidas de calor del agua en el interior de cada fotobiorreactor. Cada biorreactor está dividido en varios tramos tubulares, que pueden ser de unos 12 metros, y cada de uno de dichos tramos presenta en su base unas boquillas de suministro convenientemente distribuidas que dan paso a la entrada de C0 ₂ o agua o nutrientes, según la línea de suministro que esté conectada. Por lo tanto, los tramos tubulares de cada biorreactor donde se encuentran dispuestas las luminarias tipo LED y los cuerpos reflectores presentan una sección de configuración trapecial, con sus lados laterales de inclinación convergente superiormente.

Cada fotobiorreactor dispone por tanto de luminarias tipo LED que permiten eliminar la acción dañina de la luz infrarroja y ultravioleta sobre las algas. Dichas luminarias proporcionan un espectro de 400 nm a 700 nm para así permitir una fotosíntesis óptima de modo ininterrumpido y producir algas cada hora.

Se ha previsto que el sistema modular de fotobiorreactores incorpore asimismo, en la unidad de control, unos medios que regulen la activación de las luminarias, que controlen preferentemente dos tipos de LED, (rojo y azul), con 2 espectros diferentes, de modo que se regule cual debe ser el espectro activo en cada momento y en los tramos del fotobiorreactor más adecuados, para favorecer el crecimiento de las algas en función de su color. Este sistema modular de fotobiorreactores se ubica preferentemente en un edificio cerrado en el que normalmente se mantendrá una temperatura ambiente entre 15 y 20 °C permanentemente. En cualquier caso el propio sistema modular de fotobiorreactores incorpora un sistema de control que garantiza en todo momento una temperatura óptima del agua a lo largo de todos los tramos de cada fotobiorreactor.

El sistema modular de fotobiorreactores está conectado a un tanque principal o incubadora en el que se almacena agua desclorada, algas y nutrientes, mezclado con dióxido de carbono, que se introduce en cada uno de los fotobiorreactores de tal modo que la composición química resultante proporcione un crecimiento de algas máximo.

Con este motivo y a lo largo del circuito de cada uno de los fotobiorreactores se ha previsto la disposición de una serie de sensores que miden los parámetros característicos del proceso, situados por ejemplo cada 6 metros lineales de fotobiorreactor, y que los transmiten a la unidad de control que de forma totalmente automatizada inyecta dióxido de carbono y/o nutrientes y/o agua caliente o fría, en función del ritmo de crecimiento de algas, en distintos tramos de cada fotobiorreactor, lo que determina un ritmo de crecimiento óptimo, obteniendo así una producción superior a otros sistemas. El sistema modular de fotobiorreactores dispone además de un sistema de autolimpieza mediante inyectores de barrido que permite un funcionamiento ininterrumpido que no es posible en otros sistemas de circuitos cerrados.

Todo el proceso, desde la introducción de las algas en el sistema modular de fotobiorreactores hasta la producción de biodiesel se realiza por tanto de forma totalmente automatizada.

El tamaño y configuración de la sección de los tramos tubulares, en combinación con la ubicación de las boquillas de suministro en la base de cada tramo, facilita un movimiento adecuado de las algas dando lugar a una producción óptima, donde la proporción de agua/aire en el interior de los tramos tubulares es 70/30 en volumen.

Cada uno de los fotobiorreactores incorpora un tramo tubular de salida de mayor tamaño que el resto de tramos tubulares, que constituye un depósito de almacenamiento y separación para separar el caudal de algas aceitosas con el tamaño adecuado que se dirigen a continuación a la planta de tratamiento, mientras que el resto del caudal es dirigido nuevamente al tanque principal.

Por otro lado, en la parte superior de los tramos tubulares de cada fotobiorreactor, aquella ocupada por el aire, se disponen unas válvulas de escape para facilitar la salida del exceso de oxígeno y/o de presión. Estas válvulas se pueden situar en la unión entre tramos tubulares cada 12 m.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante d de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1.- Muestra una vista en alzado del sistema modular de fotobiorreactores de la presente invención en la que se observa la disposición de los tramos tubulares de los fotobiorreactores, así como la estructura que los rodea y que soporta tanto las luminarias tipo LED como los reflectores.

Figura 2.- Muestra una vista en sección AA de la Figura 1 , donde además se han incluido los tanques de almacenamiento situados al principio de los fotobiorreactores y los sistemas de tratamiento del producto ubicados al final de los fotobiorreactores.

Figura 3.- Muestra una vista lateral de la Figura 2.

Figura 4.- Muestra una vista del detalle B de la Figura 3, donde se muestra la parte de la estructura que separa un primer fotobiorreactor y un segundo fotobiorreactor dispuesto encima del primer fotobiorreactor.

Figura 5.- Muestra una vista explosionada de la ubicación de los sensores en una sección de cada uno de los fotobiorreactores. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN Seguidamente se describe un modo de realización preferente de la invención, con ayuda de las figuras 1 a 5 descritas anteriormente. En la figura 1 se observa una vista en alzado de un primer ejemplo de realización del sistema modular de fotobiorreactores de la presente invención formado por un primer fotobiorreactor y un segundo fotobiorreactor dispuesto encima del primer fotobiorreactor, donde cada uno de los fotobiorreactores comprende una estructura metálica que comprende a su vez al menos dos tramos tubulares (5) conectados por uno de sus extremos, donde en el interior de dichos tramos tubulares (5) se encuentra dispuesto el cultivo de algas y donde entre dichos tramos tubulares (5) se encuentra dispuesto otro tramo tubular (25) que comprende unas luminarias tipo LED (1 1 ) y unos cuerpos reflectores (12) que reflejan la luz de las luminarias tipo LED (1 1 ) y la transmiten hacia los tramos tubulares (5) donde se encuentra dispuesto el cultivo de algas atravesando sus paredes laterales.

Los tramos tubulares (5) de cada biorreactor donde se encuentra dispuesto el cultivo de algas presentan una sección de configuración trapecial, con sus lados laterales de inclinación convergente inferiormente para recibir la luz de dichos cuerpos reflectores (12). Estos lados laterales están fabricados con vidrio térmico preferiblemente para mayor aprovechamiento de la luz. Se contempla asimismo la posibilidad de que cada uno de los tramos tubulares (5) disponga de al menos una tapa superior (13) abatible respecto a una de los lados laterales que permita el acceso a su interior. Por tanto, los tramos tubulares (25) de cada biorreactor donde se encuentran dispuestas las luminarias tipo LED (1 1 ) y los cuerpos reflectores (12) presentan una sección de configuración trapecial, con sus lados laterales de inclinación convergente superiormente.

En este primer ejemplo de realización, el sistema modular de fotobiorreactores comprende además una estructura de drenaje dispuesta entre la estructura metálica del primer fotobiorreactor y la estructura metálica del segundo fotobiorreactor, donde dicha estructura de drenaje comprende una pared superior perforada (20) y una pared inferior (21 ) con un orificio de drenaje (22), de manera que se permite el paso de agua a través de la pared superior perforada (20) al orificio (22) de drenaje en caso de derramamiento de agua del segundo fotobiorreactor dispuesto encima del primer fotobiorreactor.

En un segundo ejemplo de realización, los fotobiorreactores se encuentran dispuestos uno al lado de otro.

En un tercer ejemplo de realización, combinación del primer y segundo ejemplo de realización, el sistema comprende al menos tres fotobiorreactores entre los que se encuentran un primer fotobiorreactor, un segundo fotobiorreactor y un tercer fotobiorreactor, donde el tercer fotobiorreactor se encuentra dispuesto al lado del primer fotobiorreactor y donde el segundo biorreactor se encuentra dispuesto encima o debajo del primer o tercer fotobiorreactor.

El sistema modular de fotobiorreactores se encuentra dispuesto dentro de una instalación en la que se encuentran el tanque principal o incubadora (1 ) que contiene agua declorada, algas y nutrientes, saturados con mezcla de C0 ₂ , unos depósitos de C0 ₂ (2) y un depósito de nutrientes (3), en correspondencia con la entrada de cada fotobiorreactor, así como una planta de tratamiento (4) ubicada al final de los fotobiorreactores para el tratamiento final del producto. Los tramos tubulares (5) donde se encuentra dispuesto el cultivo de algas incorporan en su base al menos una boquilla de suministro (6), así como comprende una línea de suministro de C0 ₂ (7), una línea de suministro de nutrientes (8) y varias líneas de suministro de agua acondicionada térmicamente (9), que se distribuyen próximas y a lo largo de todo el conducto tubular, que están conectadas a las mencionadas boquillas de suministro (6), tal y como se aprecia con mayor detalle en la figura 2, y que están dotadas de válvulas de paso.

Asimismo, cada fotobiorreactor comprende uniformemente distribuidos por los tramos tubulares (5) donde se encuentra dispuesto el cultivo de algas una serie de sensores de nutrientes (15) que detectan la necesidad de incorporar nutrientes, sensores de C0 ₂ (16), sensores de temperatura (17) que detectan la necesidad de aumentar o descender la temperatura del agua y sensores de pH (18), todos ellos mostrados en la Figura 5, y cuenta con una unidad de control, a la que llegan las señales de los sensores, y que actúa automáticamente sobre las válvulas de paso de las líneas de suministro (7, 8, 9) para suministrar un aporte adicional de C0 ₂ , nutrientes o agua acondicionada térmicamente a los diferentes tramos tubulares (5), en función de las necesidades del proceso a la vista de las señales detectadas por los sensores.

Tal y como se observa en la figuras 2, la línea de suministro de C0 ₂ (7) está conectada y se alimenta del depósito de C0 ₂ (2), y la línea de suministro de nutrientes (8) está conectada y se alimenta del depósito de nutrientes (3).

Por otro lado, cada una de las líneas de suministro de agua acondicionada térmicamente (9) se prolongan en correspondencia con diferentes sectores cada biorreactor. En este caso se distribuyen en correspondencia con cada sector longitudinal paralelo del biorreactor, tal y como se observa en la figura 2, para establecer una regulación independiente de temperatura de cada uno de dichos sectores, estando conectadas cada una de dichas líneas de suministro de agua acondicionada térmicamente (9) a una unidad de calentamiento (10) independiente, que normalmente se ubicará, tal y como se representa en las figura 2, al final de cada sector en posición opuesta a la ubicación del tramo tubular de entrada del fotobiorreactor.

El tramo tubular (5) inicial de cada fotobiorreactor, que ocupa la posición de entrada y al que le llega el producto que alberga el tanque principal (1 ), dispone de una serie de aberturas (14) uniformemente distribuidas en su cara frontal, en este caso en número de 6, destinadas a recibir a otros tantos conductos que transportan el producto desde el tanque principal (1 ) hacia cada fotobiorreactor, facilitando de esta forma la entrada y distribución uniforme del caudal de producto procedente del tanque principal (1 ) en cada fotobiorreactor.