“Dispositivo de iluminación e incubador para realizar experimentos de crecimiento de microalgas”

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se relaciona con un dispositivo de iluminación para realizar experimentos de crecimiento de microalgas a pequeña y mediana escala en laboratorios de investigación, así como un incubador que incorpora el dispositivo de iluminación para realizar los experimentos de crecimiento de microalgas.

ESTADO ANTERIOR DE LA TÉCNICA

En los últimos tiempos, la investigación de microalgas ha ganado mucha importancia debido a los diferentes usos que se les puede dar. Las microalgas, entre otras aplicaciones, se pueden emplear para fabricar biocombustibles, fármacos, alimentos, para tratar aguas residuales o industriales, para climatización y aislamiento de edificios, etc.

Las microalgas no pueden recolectarse en grandes cantidades directamente de la naturaleza, y por ese motivo deben cultivarse. Para que los diferentes usos de las microalgas sean económicamente viables, es necesario reducir significativamente los costes de producción de las mismas.

Actualmente, el cultivo artificial de las microalgas a gran escala se puede clasificar en sistemas abiertos, principalmente grandes estanques en donde las microalgas se cultivan al aire libre, y sistemas cerrados, en donde las microalgas se cultivan dentro de fotobiorreactores, consiguiendo así un producto de mayor calidad. Independientemente del sistema empleado, la luz es un factor esencial para el crecimiento de las microalgas, y varia significativamente con el tiempo de exposición a la luz, la intensidad, y el espectro de la luz. En los sistemas abiertos la luz empleada es natural, y los bajos ratios de producción se compensan con los grandes volúmenes de microalgas que se cultivan en los estanques, pero en los fotobiorreactores, que tienen un volumen significativamente menor, se requiere una fuente de luz artificial adecuada para el crecimiento de las microalgas.

La demanda de luz que requieren las microalgas para su correcto crecimiento es mucho más compleja que la luz que requieren otro tipo de plantas, y varia significativamente con cada especie de microalga, por ello, es necesario realizar experimentos a pequeña escala en laboratorios de investigación para poder determinar las condiciones óptimas para el crecimiento de cada especie de microalga, de manera que posteriormente dichas condiciones se puedan reproducir en los fotobiorreactores a una escala industrial. Generalmente los experimentos se realizan con lámparas fluorescentes de luz blanca, y en algunos casos se disponen filtros de colores para modificar el color de la luz de las lámparas fluorescentes.

CN201746536U muestra un dispositivo de iluminación para realizar experimentos de crecimiento de microalgas que comprende una fuente de iluminación que tiene unos leds para iluminar las microalgas y una unidad de control configurada para controlar el encendido y el apagado de los leds y para modificar la intensidad de luz de los leds. El dispositivo de iluminación se dispone en un incubador de microalgas con temperatura controlada en donde se disponen las microalgas. El incubador tiene una balda superior con dos fuentes de iluminación de leds y una balda inferior con lámparas fluorescentes, de manera que el incubador permite comprobar la diferencia en el crecimiento de las microalgas iluminadas con leds frente a las microalgas iluminadas con lámparas fluorescentes convencionales. La fuente de iluminación comprende un panel con 100 leds de alto brillo en colores rojo, verde, azul, amarillo y blanco, y la unidad de control varía el encendido, apagado y la intensidad de luz de los leds para simular el cambio gradual de la luz solar.

EXPOSICIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención es el de proporcionar un dispositivo de iluminación y un incubador para realizar experimentos de crecimiento de microalgas, tal y como se define en las reivindicaciones.

Un aspecto de la invención se refiere a un dispositivo de iluminación para realizar experimentos de crecimiento de microalgas que comprende al menos una fuente de iluminación que tiene unos leds para iluminar las microalgas y una unidad de control configurada para controlar el encendido y el apagado de los leds y para variar la intensidad de luz de los leds. La fuente de iluminación comprende unos leds RGB, cada led RGB tiene una carcasa que aloja un led rojo, verde y azul y un microcontrolador que está conectado con la unidad de control para variar la intensidad de la luz de los leds rojo, verde y azul del led RGB, tal que mediante la unidad de control se modifica el color y la intensidad de la luz emitida por cada led RGB.

Otro aspecto de la invención se refiere a un incubador para realizar ensayos de crecimiento de microalgas que comprende unas baldas en las que son disponibles unos recipientes con las microalgas, al menos una fuente de iluminación dispuesta en cada balda que tiene unos leds para iluminar las microalgas, y una unidad de control configurada para controlar el encendido y el apagado de los leds y para variar la intensidad de luz de los leds. La fuente de iluminación comprende unos leds RGB, cada led RGB tiene una carcasa que aloja un led rojo, verde y azul y un microcontrolador que está conectado con la unidad de control para variar la intensidad de la luz de los leds rojo, verde y azul del led RGB, tal que mediante la unidad de control se modifica el color y la intensidad de la luz emitida por cada led RGB.

La unidad de control permite controlar de forma independiente cada led RGB de la fuente de iluminación, de manera que se puede modificar el tiempo de encendido, la intensidad de la luz y el tipo de color de cada led RGB. Los leds RGB combinan los colores primarios rojo, verde y azul para obtener cualquier color, lo que permite iluminar las microalgas con el color e intensidad requeridas y durante el tiempo requerido, y por tanto se pueden realizar infinidad de experimentos que posteriormente se pueden escalar a nivel industrial para cultivar las microalgas en fotobiorreactores. Por ejemplo, CN201746536U emplea leds de cinco colores individuales, de manera que no puede modificar el color a nivel de led, lo cual limita los experimentos a los colores de los leds. Además, al emplear leds de colores individuales, si se quiere utilizar un solo color, se deben mantener apagados los leds de los otros colores, por lo que emplea leds de alto brillo para conseguir la intensidad de luz requerida para el crecimiento de las microalgas.

Estas y otras ventajas y características de la invención se harán evidentes a la vista de las figuras y de la descripción detallada de la invención. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La Figura 1 muestra una vista en perspectiva de la fuente de iluminación del dispositivo de iluminación según un ejemplo de la invención.

La Figura 2 muestra una vista en perspectiva explosionada de la fuente de iluminación de la figura anterior.

La Figura 3 muestra un ejemplo esquemático de las conexiones eléctricas y de datos de la fuente de iluminación de la Figura 1.

La Figura 4 muestra un incubador para realizar ensayos de crecimiento de microalgas con unas fuentes de iluminación como las mostradas en la Figura 1.

La Figura 5 muestra un ejemplo de la disposición de las fuentes de iluminación en una balda del incubador de la Figura 4.

La Figura 6 muestra otro ejemplo de la disposición de las fuentes de iluminación en una balda del incubador de la Figura 4.

La Figura 7 muestra un ejemplo esquemático de las conexiones eléctricas y de datos de las fuentes de iluminación del incubador de la Figura 4.

La Figura 8 muestra la producción de ficobiliproteínas y de biomasa de una cepa de cianobacteria expuesta a diferentes colores con el dispositivo de iluminación.

EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere a un dispositivo de iluminación para realizar experimentos de crecimiento de microalgas que comprende al menos una fuente de iluminación 10 que tiene unos leds 20 para iluminar las microalgas y una unidad de control 30 configurada para controlar el encendido y el apagado de los leds 20 y para variar la intensidad de luz de los leds 20. Ver Figuras 1 a 3. El dispositivo de iluminación se emplea para iluminar cepas de microalgas en un entorno controlado para realizar experimentos a pequeña escala, con el objetivo de optimizar la producción de la cepa de microalga o sus productos de interés. El dispositivo de iluminación se puede instalar en habitaciones de temperatura controlada, incubadores (como se muestra en la Figura 4) o cualquier otro entorno controlado que permita el crecimiento de microalgas.

La fuente de iluminación 10 comprende unos leds RGB 20, en donde cada led RGB 20 tiene una carcasa que aloja un led rojo 21, verde 22 y azul 23 y un microcontrolador 24 que está conectado con la unidad de control 30 para variar la intensidad de la luz de los leds rojo 21, verde 22 y azul 23 del led RGB 20, tal que mediante la unidad de control 30 se modifica el color y la intensidad de la luz emitida por cada led RGB 20.

De esta manera, el dispositivo de iluminación tiene tantos microcontroladores 24 como leds RGB 20 tenga la fuente de iluminación 10, de manera que mediante la unidad de control 30 se puede seleccionar de forma independiente para cada led RGB 20 la combinación de colores rojo, verde y azul para obtener el color requerido, la intensidad de la luz del led RGB 20, y el tiempo de encendido.

El dispositivo de iluminación tiene una fuente de alimentación para alimentar eléctricamente a los leds RGB 20 de la fuente de iluminación 10 y a la unidad de control 30. El dispositivo de iluminación puede disponer de una fuente de alimentación propia, o un transformador y un enchufe convencional para conectarse a la red eléctrica. Preferentemente, la unidad de control 30 tiene la fuente de alimentación integrada.

En las Figuras 1 y 2 se muestra un ejemplo de la fuente de iluminación 10. La fuente de iluminación 10 tiene un marco 11 que soporta una tapa trasera 12 y un difusor frontal 13, la tapa trasera 12 tiene una cara frontal en la que están dispuestos los leds RGB 20 y el difusor frontal 13 está dispuesto sobre la cara frontal de la tapa trasera 12 para homogeneizar la luz emitida por los leds RGB 20.

El marco 11 define un alojamiento en el que se aloja la tapa trasera 12 con los leds RGB 20 y el difusor frontal 13, aportando rigidez a la fuente de iluminación 10 para su correcto transporte, fijación y uso. La tapa trasera 12 que soporta los leds RGB 20 es de un material opaco para dirigir la luz hacia el difusor frontal 13. El difusor frontal 13 es de un material translúcido que permite el paso de la luz homogeneizándola y dirigiéndola hacia las microalgas.

Como se observa en las figuras, los leds RGB 20 están dispuestos en unas tiras de leds 27 sobre la cara frontal de la tapa trasera 12. Alternativamente, la tapa trasera 12 con los leds RGB puede ser un único elemento, como por ejemplo un panel de leds RGB, o un panel de leds RGB que se dispone sobre la tapa trasera 12.

Preferentemente, las tiras de leds 27 se extienden paralelas entre sí y están dispuestas horizontalmente sobre la tapa trasera 12, de manera que se obtiene una distribución homogénea y compacta de los leds RGB 20 que permite concentrar la luz.

Preferentemente, el dispositivo de iluminación adicionalmente comprende un sensor atmosférico 40 para medir la presión, temperatura y humedad del entorno en el que está dispuesto el dispositivo de iluminación. El sensor atmosférico 40 es empleado por la unidad de control 30 para monitorizar el entorno en donde se realiza el experimento para el cultivo de las microalgas y comprobar que las condiciones de presión, temperatura y humedad son conformes con el experimento. El sensor atmosférico 40 es un único dispositivo que integra un sensor de presión, un sensor de temperatura y un sensor de humedad. Alternativamente se pueden emplear sensores independientes para medir la presión, temperatura y humedad del entorno.

Preferentemente, el dispositivo de iluminación adicionalmente comprende al menos un sensor de luz 50 para medir la intensidad de la luz del entorno en el que está dispuesto el dispositivo de iluminación. El sensor de luz 50 puede ser una fotorresistencia o LDR que tiene una resistencia que varía en función de la luz que incide en el sensor. El sensor de luz 50 es empleado por la unidad de control 30 para comprobar que la fuente de iluminación 10 está emitiendo correctamente la luz, pudiendo la unidad de control 30 disponer de un sistema de gestión de alarmas para alertar al usuario cuando la fuente de iluminación 10 no está iluminado según la intensidad de luz requerida.

Aún más preferentemente, el dispositivo de iluminación adicionalmente comprende un emisor y receptor de datos inalámbricos 60 que está asociado con un dispositivo electrónico externo 70 para enviar y recibir datos del estado y encendido de cada led RGB 20, datos de la intensidad de la luz y del color de cada led RGB 20, y para enviar al dispositivo electrónico externo 70 datos de la intensidad de la luz, temperatura, humedad, y presión del entorno en el que está dispuesto el dispositivo de iluminación. El emisor y receptor de datos inalámbrico 60 puede ser es un módem con conectividad 4G.

El dispositivo electrónico externo 70 puede ser un ordenador, smartphone, tablet o similar con una aplicación software diseñada a medida, a través de la cual se puede controlar de forma remota el dispositivo de iluminación. La aplicación software permite la parametrización de la intensidad de la luz y el color de cada led RGB 20, y permite programar el tiempo de encendido de la fuente de iluminación 10, así como la visualización de variables como la temperatura, presión y humedad medidas por el sensor atmosférico 40, o la intensidad de la luz medida por el sensor de luz 50.

En la Figura 3 se muestra un ejemplo esquemático no limitativo de las conexiones eléctricas y de datos de un dispositivo de iluminación como el de las Figuras 1 y 2 con varias tiras leds 27 de leds RGB 20. Cada tira de leds 27 tiene varios leds RGB 20, y cada led RGB 20 tiene una carcasa que aloja un led rojo 21, un led verde 22 y un led azul 23 y un microcontrolador 24 que está conectado con la unidad de control 30 para variar la intensidad de la luz de los leds rojo 21, verde 22 y azul 23 del led RGB 20. Cada tira de leds 27 tiene unos cables de alimentación 25 y 26 que es extienden longitudinalmente por la tira de leds 27 y que están eléctricamente conectados con unos cables de alimentación 31 y 32 de la unidad de control 30. La unidad de control 30 tiene un bus de datos 33 representado con una línea a puntos que está conectado con el microcontrolador 24 de cada led RGB 20 para controlar el tiempo y encendido de los leds RGB 20, su intensidad de luz y tipo de color. La unidad de control 30 está operativamente conectada con el sensor atmosférico 40, los sensores de luz 50 y el emisor y receptor de datos inalámbricos 60 que está asociado con el dispositivo electrónico externo 70.

El dispositivo de iluminación descrito anteriormente puede comprender varias fuentes de iluminación 10 controladas por la unidad de control 30. Por ejemplo, las fuentes de iluminación se pueden disponer en una habitación a temperatura controlada en donde hay un cultivo de microalgas, o se pueden disponer en un incubador de laboratorio como el representado en las Figuras 4 a 7.

De acuerdo con ello, la invención también se refiere a un incubador 100 para realizar ensayos de crecimiento de microalgas que comprende unas baldas 110 en las que son disponibles unos recipientes 120 con las microalgas, al menos una fuente de iluminación 10 dispuesta en cada balda 110 que tiene unos leds 20 para iluminar las microalgas, y una unidad de control 30 configurada para controlar el encendido y el apagado de los leds 20 y para variar la intensidad de luz de los leds. La fuente de iluminación 10 comprende unos leds RGB 20, en donde cada led RGB 20 tiene una carcasa que aloja un led rojo 21, verde 22 y azul 23 y un microcontrolador 24 conectado con la unidad de control 30 para variar la intensidad de la luz de los leds rojo 21, verde 22 y azul 23 del led RGB 20, tal que mediante la unidad de control 30 se modifica el color y la intensidad de la luz emitida por cada led RGB 20.

Preferentemente, sobre cada balda 110 se disponen unas hileras 130 de recipientes 120, cada hilera 130 tiene un lado izquierdo y un lado derecho, y cada balda 110 tiene unas filas 140 de fuentes de iluminación 10, con al menos una fuente de iluminación 10 por cada fila 140, y al menos un lado de cada hilera 130 de recipientes 110 está iluminado por una respectiva fila 140 de fuentes de iluminación 10. De esta manera, se asegura que todos los recipientes 120 de cada balda 110 están iluminados directamente y que no haya unos recipientes 120 que hagan sombra a otros.

Como se muestra en la Figura 5, solamente un lado de cada hilera 130 de recipientes 110 está iluminado por una respectiva fila 140 de fuentes de iluminación 10. Alternativamente, y preferentemente, como se muestra en la Figura 6, los dos lados izquierdo y derecho de cada hilera 130 de recipientes 120 están iluminados por una respectiva fila 140 de fuentes de iluminación 10. Algunos tipos de microalgas tiene una densidad que dificulta el paso de la luz a su través, por lo que en vez de emplear fuentes de iluminación 10 de alto brillo que pueden iluminar por un solo lado, es preferible emplear fuentes de iluminación 10 de menor intensidad pero que iluminan los recipientes 120 por ambos lados. En recipientes 110 que tienen un volumen de 250 mi no hay problema para el paso de la luz, sin embargo, iluminar por ambos lados es útil cuando se quiere incrementar la cantidad de luz que recibe el cultivo para mejorar el crecimiento.

En la Figura 7 se muestra un ejemplo no limitativo de un dispositivo de iluminación como el de las Figuras 1 y 2 con varias tiras leds 27 de leds RGB 20. Cada tira de leds 27 tiene varios leds RGB 20, y cada led RGB 20 tiene una carcasa que aloja un led rojo 21, un led verde 22 y un led azul 23, y un microcontrolador 24 que está conectado con la unidad de control 30 para variar la intensidad de la luz de los leds rojo 21, verde 22 y azul 23 del led RGB 20. Cada tira de leds 27 tiene unos cables de alimentación 25 y 26 que se extienden longitudinalmente por la tira de leds 27 y que están eléctricamente conectados con unos cables de alimentación 31 y 32 de la unidad de control 30. La unidad de control 30 tiene un bus de datos 33 representado con una línea a puntos que está conectado con el microcontrolador 24 de cada led RGB 20 para controlar el tiempo y encendido de los leds RGB 20, su intensidad de luz y tipo de color. La unidad de control 30 está operativamente conectada con el sensor atmosférico 40, los sensores de luz 50 y el emisor y receptor de datos inalámbricos 60 que está asociado con el dispositivo electrónico externo 70.

En la Figura 7 se muestra un ejemplo esquemático no limitativo de las conexiones eléctricas y de datos de las fuentes de alimentación 10 que se disponen en las baldas 110 de un incubador 100 como el mostrado en la Figura 4. Las conexiones eléctricas y de datos de la Figura 7 son idénticas a las representadas en la Figura 3, pero en la Figura 7 se representa la conexión de varias fuentes de iluminación 10.

Cada fuente de iluminación 10 del incubador tiene varios leds RGB 20, y cada led RGB 20 tiene una carcasa que aloja un led rojo 21, un led verde 22 y un led azul 23, y un microcontrolador 24 que está conectado con la unidad de control 30 para variar la intensidad de la luz de los leds rojo 21, verde 22 y azul 23 del led RGB 20. La unidad de control 30 tiene unos cables de alimentación 31 y 32 para alimentar las fuentes de iluminación y un bus de datos 33 que está conectado con el microcontrolador 24 de cada led RGB 20 para controlar el tiempo y encendido de los leds RGB 20, su intensidad de luz y tipo de color.

El incubador 100 comprende un sensor atmosférico 40 para medir la presión, temperatura y humedad del interior del incubador en donde son disponibles las microalgas, y la unidad de control 30 está operativamente conectada con el sensor atmosférico 40.

El incubador 100 tiene un sensor de luz 50 en cada balda 110 para medir la intensidad de cada balda 110 del incubador y la unidad de control 30 está operativamente conectada con los sensores de luz 50 para comprobar que las fuentes de iluminación 10 de cada balda 110 están funcionando dentro de los parámetros requeridos por el experimento.

El incubador adicionalmente comprende un emisor y receptor de datos inalámbricos 60 que está asociado con un dispositivo electrónico externo 70 para enviar y recibir datos del estado y encendido de cada led RGB 20, datos de la intensidad de la luz y del color de cada led RGB 20, y para enviar al dispositivo electrónico externo 70 datos de la intensidad de la luz, temperatura, humedad, y presión del incubador en donde son disponibles las microalgas.

En la Figura 8 se muestra un experimento realizado con el dispositivo de iluminación, en donde unas cianobacterias fueron expuestas a luz de color blanco, luz de color rojo y una combinación de luz roja y luz azul. Para la obtención de la luz blanca todos los leds RGB 20 de la fuente de iluminación 10 se encendieron en luz blanca, para la obtención de la luz roja todos los leds RGB 20 de la fuente de iluminación 10 se encendieron en luz roja, y para la obtención de la luz combinada unos de los leds RGB 20 se encendieron en luz roja y otros unos de los leds RGB 20 se encendieron en luz azul.

Concretamente, las ficobiliproteínas de una cepa de cianobacteria (ficocianina PC, aloficocianina APC y ficoeritrina PE), así como la biomasa de la cepa de cianobacteria, fueron expuestas a la luz de color blanco, rojo y la combinación de rojo y azul. Como se puede observar en dicha figura, el color empleado tiene gran influencia sobre parámetros relevantes en términos de producción de microalgas. Se puede apreciar como la luz blanca y la luz roja consiguieron los mejores valores de producción de pigmentos y biomasa en la cepa estudiada. De acuerdo con ello, ante estos resultados, a la hora de cultivar esta cepa para su explotación industrial, el color de la fuente de leds escogido para el fotobiorreactor sería el rojo debido a su menor consumo energético y a sus buenos resultados a la hora de producir los productos de interés.