ENERGÍA ÓPTIMO

D E S C R I P C I Ó N

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se puede incluir dentro del campo técnico del cultivo de microalgas. En concreto, se puede incluir dentro del campo de los fotobiorreactores destinados al cultivo de microalgas.

El objeto de la patente consiste en un sistema de cultivo de microalgas que permite la optimización del consumo energético en función de variables ambientales o de condiciones del cultivo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las microalgas y su cultivo están probando ser de gran utilidad debido a que presentan gran número de aplicaciones beneficiosas para la humanidad.

El cultivo de microalgas puede alcanzar productividades muy superiores a los cultivos tradicionales, dando como resultado una mayor fijación de C0 ₂ y una mayor cantidad de biomasa producida.

El cultivo de microalgas tiene la característica de que cuanto mayor sea el tiempo de exposición a la luz, la productividad será mayor. Además, los cultivos de microalgas tienen menores necesidades de agua, y no compiten con los cultivos tradicionales, puesto que no necesitan terreno fértil, al estar soportados por fotobiorreactores.

Para obtener una rentabilidad óptima en proyectos de cultivo de microalgas para algunos fines, se necesitan grandes extensiones que den sentido a las inversiones necesarias, además de instalaciones industriales de grandes dimensiones.

Todo esto hace que el cultivo de microalgas necesite de un consumo intensivo de energía. La optimización de la energía se vuelve, por tanto, esencial en los proyectos que aborden cultivo de microalgas.

Dentro del grupo de los fotobiorreactores para el cultivo de microalgas existen principalmente dos clases diferenciadas, fotobiorreactores cerrados, y fotobiorreactores abiertos. Los fotobiorreactores cerrados se caracterizan fundamentalmente por aislar el fluido, mientras que los fotobiorreactores abiertos se caracterizan fundamentalmente por tener una mayor interacción con el ambiente.

Los beneficios de los fotobiorreactores cerrados son principalmente, un mayor control sobre las contaminaciones, alta densidad celular, y mejor control de las variables de cultivo. Por el contrario, tienen una serie de desventajas, entre las que se encuentran: la necesidad de controlar la cantidad de oxígeno disuelto, que es, en parte, producido en el proceso de la fotosíntesis, ya que, por ejemplo, altos niveles de oxígeno son tóxicos para el cultivo, también es una desventaja el alto consumo de energía en la impulsión del cultivo.

Este tipo de fotobiorreactores cerrados comprende varios elementos: unos elementos impulsores, un desgasificador, un elemento por el que circula el fluido, a partir de ahora llamado lazo, de una longitud determinada, además de los comunes sistemas de control de pH y temperatura. En cuanto a las variables destacadas de este tipo de fotobiorreactores, se encuentra el tiempo de exposición, que es el tiempo que tarda una partícula del fluido en recorrer el lazo. Se entiende por desgasificado^ a un elemento capaz de desplazar hacia la atmósfera el oxígeno excedente en el seno del cultivo hasta niveles determinados.

Se conoce la patente US5958761 (Yogev, Amnon; Yakir, Dan), en la que se describe un fotobiorreactor cerrado de tipo tubular.

Dentro de la clase de los fotobiorreactores abiertos podemos encontrar varios tipos, como por ejemplo, el fotobiorreactor tipo "bolsa", y el fotobiorreactor inclinado, que se explican a continuación.

Llamaremos fotobiorreactor tipo bolsa a un fotobiorreactor abierto, en el que la superficie de exposición directa al ambiente es muy inferior a la superficie total del reactor. El reactor consta de un material transparente a la radiación fotosintéticamente activa, y puede ser tanto autosoportado, como soportado por una estructura.

El fotobiorreactor tipo bolsa presenta las siguientes ventajas: buena transferencia de materia, fácil termostatización del cultivo, posibilidad de filtrar las ondas electromagnéticas en el rango de longitud de onda del ultravioleta, que son dañinas para las microalgas, mediante el propio material transparente, y relativa facilidad del control de contaminaciones, ya que aún siendo abierto, su superficie de exposición al ambiente es pequeña. Sus inconvenientes fundamentales son: las estructuras de soporte son de alto coste, la deposición de partículas no transparentes en las paredes de las bolsas, y un gasto elevado de energía en la agitación. Este tipo de fotobiorreactores bolsa comprende varios elementos: un material transparente a la radiación fotosintéticamente activa donde se encuentra el cultivo, y un sistema de agitación del cultivo, además de los comunes sistemas de control de pH y temperatura.

En estos fotobiorreactores bolsa, generalmente, la superficie de exposición a la luz se encuentra en una sola cara, quedando la cara opuesta sombreada por el cultivo. Esto origina una atenuación de la irradiancia conforme nos alejamos de la cara iluminada, y como consecuencia una menor productividad de las microalgas expuestas a una irradiancia menor, por lo que la agitación resulta imprescindible en estos sistemas. La agitación de este sistema puede obtenerse mediante el borboteo de aire desde la parte inferior de la bolsa, que además de evitar deposiciones y facilitar la transferencia de materia, modifica la posición de las microalgas, a través de los distintos estados de irradiancia comprendidos dentro del reactor, que ya han sido mencionados anteriormente.

Se conoce la solicitud de patente WO2004074423 (Tredici, Mario; Rodolfi, Liliana), en la que se describe un fotobiorreactor tipo bolsa.

Llamaremos fotobiorreactores inclinados a aquellos en los que, una película de cultivo desciende por una superficie inclinada, mientras las microalgas de dicha película de cultivo captan la energía solar, dando como resultado el crecimiento y reproducción del cultivo de algas.

Las principales ventajas de estos fotobiorreactores son: tienen bajo coste de estructura de soporte, fácilmente escalables a distintos tamaños, y alta densidad celular. Los inconvenientes son: tienen mayor exposición a contaminantes, y consumo intensivo de energía en el bombeo del cultivo.

Este tipo de fotobiorreactores comprende varios elementos: Una superficie inclinada, un sistema de recogida del cultivo, un sistema elevador que impulsa el medio de cultivo, además de los comunes sistemas de control de pH y temperatura. Se conoce la patente US5981271 (Doucha et al.), en la que se describe un fotobiorreactor de superficie inclinada con película de cultivo de microalgas descendente.

Estos sistemas mantienen constante el espesor de película de cultivo, por lo que, en ciertos momentos el sistema derrochará energía, y en otros momentos desaprovechará energía proveniente del sol, que podría ser usada para una mayor eficiencia del sistema. Esto se explica en detalle a continuación. Si la relación entre el espesor de la película de cultivo y la irradiancia solar no es óptima, es decir, si el espesor de película es excesivo o escaso, se producen, bien un gasto energético excesivo o bien una pérdida potencial de rendimiento, respectivamente. En el primer caso, las células que se encuentran en las posiciones inferiores (más alejadas de la luz) no realizan una buena actividad fotosintética por falta de luz, extinguida en las capas superiores y, por tanto, no contribuyen a una mejora productiva, consumiendo el sistema energía, de manera improductiva. En el segundo caso, todas las células del cultivo se encuentran adecuadamente iluminadas, con lo cual se obtiene una producción máxima, pero el sistema sería aún susceptible de aprovechar más la radiación con una película de cultivo de mayor espesor.

El problema técnico que se plantea trata de desarrollar un sistema de cultivo de microalgas capaz de optimizar el consumo energético.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Se entenderá por irradiancia, a lo largo de este documento, a la potencia incidente, sobre una unidad de superficie, de cualquier tipo de radicación, es decir, se contempla la radicación solar, y también la radiación a través de fuentes artificiales, tal como iluminación por "leds", o fuente de cualquier tipo.

- General:

La invención trata de resolver el problema del consumo energético en sistemas de cultivo de microalgas que comprenden fotobiorreactores. Para ello, minimiza el consumo energético, manteniendo la productividad máxima alcanzable, mediante toma de medidas, ya sean de cultivo (por ejemplo, oxígeno disuelto en el cultivo) o ambientales (por ejemplo, irradiancia), del estado fotosintético del sistema. Se entienden por medidas del estado fotosintético del sistema los indicadores que reflejen la productividad del cultivo, es decir, indicadores que revelen si el cultivo está en condiciones óptimas de trabajo.

La invención desarrollada con tal fin es aplicable a cualquier fotobiorreactor e incorpora un sistema de control que, midiendo variables ambientales (tal como irradiancia) o variables de cultivo (tal como la cantidad de oxígeno disuelto) mediante sensores adecuados, actúa sobre unos medios de impulsión y/o unos medios de agitación, con el fin de reducir el consumo energético del sistema global, y adaptar la energía consumida a la realmente necesaria, mejorando la productividad del cultivo.

Las partes fundamentales del sistema de cultivo de la invención son las siguientes:

- un fotobiorreactor en el que se realiza el cultivo de microalgas, y

- un sistema de control del fotobiorreactor, que comprende una pluralidad de sensores (al menos uno) y al menos un procesador, donde los sensores miden el estado fotosintético del sistema de cultivo, tomando medidas de características del cultivo (por ejemplo: temperatura, cantidad de oxígeno disuelto, pH, densidad celular, turbidez, altura de cultivo, volumen de cultivo, caudal de cultivo,...), y/o variables ambientales (por ejemplo: irradiancia, velocidad o dirección del viento, humedad del aire, temperatura ambiente, pluviometría, indicación de lluvia, partículas en el aire, sismografía...), y donde el procesador recibe las señales de los sensores, y el sistema de control, en función de las señales recibidas por el procesador, actúa sobre unos medios de impulsión para impulsar el cultivo y/o unos medios de agitación de cultivo, para adecuar el funcionamiento del fotobiorreactor a los parámetros ambientales y/o de cultivo, con el fin de minimizar el consumo energético, mejorando la productividad del cultivo. Este sistema de control puede estar incluido en el propio procesador, o no. Además el sistema de control puede ser un programa de "software".

En definitiva, el sistema de cultivo tiene un sistema de control que lleva al fotobiorreactor a su punto de funcionamiento óptimo para las condiciones de trabajo medidas, ya sean, estas condiciones de trabajo medidas, factores ambientales o variables de cultivo.

La presente invención, en el caso más general descrito anteriormente, puede comprender además un sistema de ahorro general, que consta de un interruptor global de seguridad, para cubrir cualquier contingencia del tipo comprendida entre: rotura de fotobiorreactores, escapes de fluido, incrementos de presión, mal funcionamiento de sistemas de control, tormentas u otras inclemencias del tiempo (viento, heladas, granizo, nieve) que pudieran dañar el cultivo y/o instalaciones. Cuando el sistema de ahorro general detecta cualquiera de las contingencias descritas, enviaría una señal de parada, a los sistemas implicados, o a todos los sistemas.

La energía captada por el sistema de la invención en forma de radiación puede obtenerse a partir del sol, durante las horas de luz, así como de manera adicional o alternativa a partir de fuentes artificiales de radiación en los momentos del día o de la noche en que sea necesario. - Inclinado

Según una realización preferente de la invención, donde el fotobiorreactor es un fotobiorreactor inclinado, el ahorro de energía se consigue adecuando la altura de la película de cultivo a los valores de irradiancia solar.

Para el caso de un fotobiorreactor inclinado, la presente invención resuelve el problema técnico planteado por medio de un sistema de cultivo de microalgas que comprende un fotobiorreactor inclinado y un sistema de control de altura de la película de cultivo en función de la irradiancia solar.

En este caso, un medio de cultivo se impulsa desde un depósito hacia la parte superior del fotobiorreactor por medio de uno o varios elevadores de cultivo, por ejemplo una o varias bombas, desde donde cae por gravedad, a lo largo de una superficie inclinada que forma parte del fotobiorreactor, de nuevo hacia el depósito, donde se introduce CO ₂ en función del pH y se atempera el medio de cultivo, entendiendo por atemperar, adecuar la temperatura del medio de cultivo a la temperatura óptima de crecimiento del microorganismo. El sistema de control de altura de la película de cultivo en función de la irradiancia solar, permite la medición de la irradiancia solar y el ajuste de la altura de la película de cultivo en función de la medición de irradiancia. Para llevar a cabo dicha función, el sistema de control comprende uno o varios medidores de irradiancia, tal como un piranómetro o similar, uno o varios procesadores de la señal del medidor de irradiancia y uno o varios variadores del caudal de cultivo. El medidor de irradiancia está adecuadamente orientado con el fotobiorreactor, de manera que la irradiancia medida por el medidor de irradiancia se corresponde sustancialmente con la irradiancia que incide sobre el cultivo. Mediante el empleo de dicho medidor de irradiancia se determina la energía real que incide sobre el cultivo del fotobiorreactor.

El procesador, que está conectado con el medidor de irradiancia, recibe la señal de dicho medidor de irradiancia y envía una señal de actuación sobre uno o varios variadores de caudal, entendiendo por variador de caudal cualquier sistema que permite regular el caudal de cultivo que el/los elevadores de cultivo impulsan. El variador de caudal puede estar formado por uno o varios sistemas. El variador de caudal puede estar integrado o formar parte de otro sistema, tal y como elevador/es de cultivo, medidor/es de irradiancia, o procesador/es.

El variador de caudal, en función de la señal de actuación recibida por el procesador, actúa sobre los medios de impulsión, modificando el caudal de cultivo bombeado hacia la superficie de exposición solar del fotobiorreactor. Según una realización preferente de la invención, el variador de caudal activa un mayor o menor número de bombas impulsoras del medio de cultivo en función de la irradiancia. Según otra realización preferente, el variador del caudal actúa sobre una o varias bombas por medio de uno o varios variadores de frecuencia.

Puesto que el caudal determina la altura del cultivo en la superficie inclinada, mediante la variación de caudal se consigue dotar al cultivo de una altura óptima en función de los valores de irradiancia detectados por el medidor de irradiancia.

El sistema de cultivo de la invención, para este caso del fotobiorreactor inclinado, destaca porque, por medio de la variación del caudal del medio de cultivo impulsado hacia el fotobiorreactor, optimiza la cantidad de energía luminosa captada por el cultivo, evitando también la fotoinhibición, es decir, disminución de la fotosíntesis como consecuencia del daño al aparato fotosintético cuando existe excesiva radiación incidiendo sobre la superficie de exposición solar del fotobiorreactor.

De igual modo, el sistema presenta la ventaja de que, por medio del ajuste del caudal del medio de cultivo, también se produce una optimización de los recursos energéticos consumidos por el sistema, puesto que la irradiancia es variable en función de la hora del día, de la estación del año, de la climatología, con lo cual la necesidad de circulación de medio también varía, consiguiéndose un gran ahorro energético si sólo se hace circular la cantidad de fluido óptima.

La presente invención, en el caso del fotobiorreactor inclinado, puede comprender un sistema de recogida de aguas pluviales, que comprende a su vez, un detector de lluvia, un procesador, unos medios de desvío de las aguas pluviales, y un depósito contenedor de agua. Cuando hay lluvia, el sistema de recogida de aguas pluviales funciona de la siguiente manera: el detector de lluvia manda una señal al procesador que detiene el/los variadores de caudal, de forma que el medio de cultivo queda contenido en el depósito donde se encuentra el resto del cultivo. Una vez recogido todo el medio de cultivo, se activan los medios de desvío de las aguas pluviales caídas sobre la superficie del fotobiorreactor (que pueden ser automatizados o manuales, incorporando la invención en este último caso un indicador de lluvia para que un operario complete la operación), que hace que las aguas de lluvia que caen sobre la superficie del fotobiorreactor se dirijan hacia el depósito contenedor de agua. De esta forma se ahorra energía al no tener que importar agua desde otras localizaciones, por tener una cantidad de agua almacenada, y se ahorra en consumo de agua. En definitiva, se consigue un ahorro económico importante.

Cuando la lluvia cesa, los medios de desvío de las aguas pluviales vuelven a su posición original, y se activan los variadores de caudal para volver al funcionamiento normal del sistema.

En una realización preferente de la invención, en caso de lluvia, los medios de desvío, además de dirigir las aguas de lluvia hacia su depósito independiente, cubre el depósito donde se encuentra el medio de cultivo para que la lluvia no caiga dentro de él.

La presente invención, en el caso del fotobiorreactor inclinado, puede comprender un sistema de medición de temperatura ambiente, que comprende a su vez un sensor de temperatura y un procesador. Cuando la temperatura disminuye de un valor determinado, el sensor de temperatura envía una señal al procesador que detiene el/los variadores de caudal, de forma que el medio de cultivo queda contenido en el depósito. Cuando la temperatura sube de un determinado valor se activan los variadores de caudal para volver al funcionamiento normal del sistema.

En una realización preferente de la invención, el valor a partir del cual el sistema de medición de temperatura ambiente detiene el funcionamiento de los variadores, viene determinado por una temperatura de consigna que busca la protección del cultivo frente a congelación, o frente a variación excesiva de la temperatura del medio de cultivo. De esta forma se puede evitar que el medio de cultivo se congele y se evitan todos los problemas asociados, como por ejemplo, problemas en los elementos elevadores, rotura de tuberías, etc.. La presente invención, en el caso del fotobiorreactor inclinado, puede comprender además una cubierta soportada por una sobrepresión en el interior del fotobiorreactor. Esta cubierta está asociada a unos impulsores de gas (preferentemente aire), que crean una sobrepresion en la cara interior de la cubierta, lo que permite que la cubierta quede en una posición más o menos fija por encima de los fotobiorreactores inclinados.

Esta cubierta permite cubrir el cultivo, consiguiendo además los siguientes beneficios: disminuye las contaminaciones que se producen en el cultivo (debido a dos causas: por la propia cubierta, y porque se evitan corrientes de aire contaminadas desde el exterior al interior debido a la sobrepresion existente en el interior), disminuye el intercambio de calor con el exterior favoreciendo la termostatización, y produce un ahorro energético al actuar como un invernadero. Además, no requiere una estructura de soporte, lo que abarata los costes de un sistema de cubierta tradicional. - Tipo Bolsa

Según una realización preferente de la invención, para un fotobiorreactor tipo bolsa, el ahorro de energía se consigue adecuando la agitación del cultivo a la irradiancia medida.

La presente invención resuelve el problema técnico planteado por medio de un sistema de cultivo de microalgas tipo "bolsa" y un sistema de control de la agitación del cultivo en función de la irradiancia solar. El medio de cultivo contenido en el fotobiorreactor tipo bolsa se agita por medio de unos medios de agitación (mediante burbujeo de un gas, por ejemplo el aire, mediante agitación mecánica, mediante bombeo,...), con el fin de obtener una buena distribución de nutrientes, y obtener una buena distribución de irradiancia.

El sistema de control de la agitación del cultivo, permite la medición de irradiancia solar y el ajuste de la agitación del cultivo en función de la medición de irradiancia. Para llevar a cabo dicha función, dichos sistemas de control comprenden uno o varios medidores de irradiancia, tal como un piranómetro o similar, uno o varios procesadores de la señal del medidor de irradiancia y uno o varios medios de agitación del cultivo.

El medidor de irradiancia está adecuadamente orientado con el fotobiorreactor, de manera que la irradiancia medida por el medidor de irradiancia se corresponde sustancialmente con la irradiancia que incide sobre el cultivo. Mediante el empleo de dicho medidor de irradiancia se determina la energía real que incide sobre el cultivo del fotobiorreactor.

El procesador, que está conectado con el medidor de irradiancia, recibe la señal de dicho medidor de irradiancia y envía una señal de actuación sobre los medios de agitación del cultivo.

Los medios de agitación del cultivo, en función de la señal de actuación recibida por el procesador, agitan en mayor o en menor grado el cultivo dentro del fotobiorreactor. Según una realización preferente de la invención, los medios de agitación del cultivo funcionan por burbujeo de aire.

Puesto que la agitación determina la exposición a la luz de todo el cultivo contenido en el fotobiorreactor tipo bolsa, mediante la variación de la intensidad de agitación de los sistemas agitadores, se consigue dotar al cultivo de una exposición óptima en función de los valores de irradiancia detectados por el medidor de irradiancia.

Además, cuanto mayor sea la irradiancia incidente sobre el sistema, mayor es la irradiancia promedio en el seno del cultivo y por lo tanto más células son susceptibles de realizar la fotosíntesis, aumentado la productividad del sistema. Por tanto, en este caso, es importante aumentar la intensidad de agitación con el fin de asegurar la disponibilidad de luz a todas estas células, optimizando de esta manera la captación de la mayor parte de la energía incidente y evitando, al mismo tiempo, la fotoinhibición del sistema.

El sistema de cultivo de la invención, en el caso del fotobiorreactor tipo bolsa, destaca porque evita el desperdicio de energía en el caso de que se fije una agitación excesiva para unas condiciones de luminosidad determinadas que resulten demasiado escasas, ya que se estaría empleando un exceso de energía, en mover continuamente un cultivo de manera innecesaria. Además, evita también la fotoinhibición que se produciría si existiera poca agitación y mucha radiación solar.

Por tanto, el sistema presenta la ventaja de que, por medio del ajuste de la agitación del medio de cultivo, también se produce una optimización de los recursos energéticos consumidos por el sistema, puesto que la irradiancia es variable en función de la hora del día, de la estación del año, de la climatología, con lo cual la necesidad de agitación de medio también varía, consiguiéndose un gran ahorro energético si se agita el medio de cultivo de la manera óptima. - Cerrado

Según una realización preferente de la invención, para un fotobiorreactor cerrado, el ahorro de energía se consigue adecuando la velocidad del cultivo por el lazo, a los niveles de cantidad de oxígeno disuelto.

La presente invención resuelve el problema técnico planteado por medio de un sistema de cultivo de microalgas que comprende un fotobiorreactor cerrado y un sistema de control del tiempo de exposición del cultivo, en función de la cantidad de oxígeno disuelto. El medio de cultivo, contenido en el fotobiorreactor cerrado, se impulsa por medio de unos medios de impulsión, a través de un lazo cerrado. En cualquier punto o puntos del fotobiorreactor, se introduce C0 ₂ en función del pH y se atempera el medio de cultivo, entendiendo por atemperar, adecuar la temperatura del medio de cultivo a la temperatura óptima de crecimiento del microorganismo. Este fotobiorreactor cerrado comprende 5 también un elemento desgasificador.

También puede existir un depósito, que puede, formar parte del desgasificador, o incluirse como un elemento a parte. En este caso, el depósito puede estar a una cota inferior a la cota del lazo, de tal manera que o todo el medio de cultivo puede quedar recogido en dicho depósito, facilitando el control, la termostatización, operaciones de mantenimiento en los lazos y en cualquier otro caso de emergencia donde se necesite un vaciado de los lazos. 5 En una realización preferente de la invención, la introducción de C0 ₂ , así como el atemperar el cultivo puede hacerse en el depósito citado anteriormente, o en el elemento desgasificador.

En una realización preferente de la invención, el lazo comienza y o acaba en el elemento desgasificador.

El sistema de control del tiempo de exposición del cultivo, mide el oxígeno disuelto en el cultivo y ajusta la velocidad del fluido dentro de lazo, y por tanto, ajusta el tiempo de exposición del medio de cultivo. Para llevar a 5 cabo dicha función, el sistema de control comprende uno o varios oxímetros, uno o varios procesadores de la señal del oxímetro y uno o varios variadores del caudal de cultivo.

La medición del oxígeno disuelto puede hacerse tanto al final del lazo, 0 como a lo largo del mismo, así como también pueden hacerse varias tomas de medida a lo largo del lazo. Mediante el empleo de dicho medidor de la cantidad de oxígeno disuelto, se determina el rendimiento fotosintético que está teniendo el cultivo.

El procesador, que está conectado con el oxímetro, recibe la señal de dicho oxímetro y envía una señal de actuación sobre uno o varios variadores de caudal, entendiendo por variador de caudal cualquier sistema que permita regular el caudal de cultivo a través del lazo. El variador de caudal puede estar formado por uno o varios sistemas. El variador de caudal puede estar integrado y formar parte de otro sistema, tal y como bombas, oxímetros, o procesador/es.

El variador de caudal, en función de la señal de actuación recibida por el procesador, actúa sobre el caudal de cultivo bombeado a través del lazo. Según una realización preferente de la invención, el variador de caudal activa un mayor o menor número de bombas impulsadoras de medio de cultivo en función del oxígeno disuelto. Según otra realización preferente, el variador del caudal actúa sobre una o varias bombas por medio de uno o varios variadores de frecuencia.

Puesto que el caudal determina la velocidad del cultivo en el lazo, mediante la variación de caudal se consigue dotar al cultivo de un tiempo de exposición óptimo en función de los valores de cantidad de oxígeno disuelto detectados por el oxímetro.

El sistema de cultivo de la invención, para este caso del fotobiorreactor cerrado, destaca porque, por medio de la variación del caudal del medio de cultivo impulsado a través del lazo, optimiza la cantidad de energía luminosa captada por el cultivo, ya que la cantidad de oxígeno disuelto es un indicador de la eficiencia fotosintética del cultivo, y por tanto, nos dice si el cultivo está realizando la fotosíntesis de una forma óptima, para unas condiciones de luminosidad determinadas.

Puede suceder que el cultivo esté sometido a una baja luminosidad, y además el tiempo de exposición sea bajo, por lo que los niveles de oxígeno serán bajos, y tendremos un indicador de que conviene elevar el tiempo de exposición del cultivo, y por tanto, conviene reducir el caudal a través del lazo. En caso contrario, en condiciones de alta irradiancia, mediante el aumento del caudal podemos disminuir los tiempos de exposición, y por lo tanto, evitar así la intoxicación por alto contenido de oxígeno.

De igual modo, el sistema presenta la ventaja de que, por medio del ajuste del caudal del medio de cultivo, también se produce una optimización de los recursos energéticos consumidos por el sistema, puesto que la irradiancia es variable en función de la hora del día, de la estación del año, de la climatología, con lo cual la necesidad de circulación del medio de cultivo también varía, consiguiéndose un gran ahorro energético si sólo se hace circular la cantidad de fluido óptima.

En una realización preferente se fija un valor máximo de cantidad de oxígeno disuelto, a partir de la cual, se aumenta el caudal, al considerarse como cercano al límite de toxicidad. Este valor podría fijarse por debajo de 300% (preferentemente en un 250%), con respecto a la solubilidad del oxígeno en agua pura a las mismas condiciones de presión y temperatura. En una realización preferente se fija un valor mínimo de cantidad de oxígeno disuelto, a partir de la cual, se disminuye el caudal, al considerarse que no hay una productividad adecuada. Este valor podría fijarse por encima de 100% (preferentemente en un 150%), con respecto a la solubilidad del oxígeno en agua pura a las mismas condiciones de presión y temperatura.

En otra realización preferente se fija una referencia a seguir por el sistema de control ("setpoint") de cantidad de oxígeno disuelto, que a través de un algoritmo de control, se sigue de la forma más fiel posible. Este valor podría fijarse entre 150% y 250% (preferentemente 200%), con respecto a la solubilidad del oxígeno en agua pura a las mismas condiciones de presión y temperatura.

La presente invención, en el caso del fotobiorreactor cerrado, puede comprender un sistema de medición de temperatura ambiente, que comprende a su vez un sensor de temperatura, y un procesador. Cuando la temperatura disminuye de un valor determinado, el sensor de temperatura envía una señal al procesador que detiene el/los variadores de caudal, de forma que el medio de cultivo queda contenido en el depósito. Cuando la temperatura sube de un determinado valor se activan los variadores de caudal para volver al funcionamiento normal del sistema.

En una realización preferente de la invención, el valor a partir del cual el sistema de medición de temperatura ambiente detiene el funcionamiento de los variadores viene determinado por una temperatura de consigna que busca la protección del cultivo frente a congelación, o frente a variación excesiva de la temperatura del medio de cultivo.

De esta forma se puede evitar que el medio de cultivo se congele y se evitan todos los problemas asociados, como por ejemplo, problemas en los elementos impulsores, rotura de tuberías, etc..

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 de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1a.- Muestra una vista esquemática del sistema general de cultivo de microalgas de la invención, con medios de impulsión.

Figura 1 b.- Muestra una vista esquemática del sistema general de cultivo de microalgas de la invención, con medios de agitación. Figura 2.- Muestra una vista esquemática del sistema de cultivo de microalgas, del tipo fotobiorreactor inclinado.

Figura 3a.- Muestra una vista esquemática del sistema de recogida de aguas pluviales para el fotobiorreactor inclinado, basado en un doble canal, en el estado normal de funcionamiento, es decir, el fotobiorreactor se encuentra cultivando con normalidad.

Figura 3b.- Muestra una vista esquemática del sistema de recogida de aguas pluviales para el fotobiorreactor inclinado, basado en un doble canal, en el estado de recogida de aguas pluviales.

Figura 4a.- Muestra una vista esquemática del sistema de recogida de aguas pluviales para el fotobiorreactor inclinado, basado en un canal con tubería interior, en la posición de trabajo normal.

Figura 4b.- Muestra una vista esquemática del sistema de recogida de aguas pluviales para el fotobiorreactor inclinado, basado en un canal con tubería interior, en situación de lluvia. Figura 5.- Muestra una vista esquemática del sistema de cultivo de microalgas, del tipo tubular. Figura 6.- Muestra una vista esquemática del sistema de cultivo de microalgas, del tipo parcialmente cerrado (bolsa).

Figura 7.- Muestra un gráfico que refleja la relación entre energía aportada al sistema (Eap) y energía captada de la fuente de irradiancia (Ecap), para varias irradiancias (11 , 12, 13).

Figura 8a.- Muestra un gráfico que refleja la influencia de posibles errores en el sistema de control, respecto al aporte de energía y a la captación de energía.

Figura 8b.- Muestra un gráfico que refleja la estrategia de control para minimizar la influencia energética de los errores generados en el sistema de control.

Figura 9.- Muestra una imagen de la cubierta y los impulsores de gas para el caso de un fotobiorreactor inclinado.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

Seguidamente se describen cuatro realizaciones preferentes de la invención con ayuda de las figuras adjuntas.

PRIMERA REALIZACIÓN: CASO GENERAL

En la figura 1a se observa un esquema general de un sistema de cultivo (1 ) según la invención, que comprende un fotobiorreactor (2), unos medios de impulsión (4), un sistema de control (3) y un procesador (11 ). Los medios de impulsión (4) efectúan la transferencia de masas en el fotobiorreactor (2). El sistema de control (3) recibe a través de un procesador (11 ) las medidas de variables ambientales (irradiancia) o variables de cultivo (cantidad de oxígeno disuelto) realizadas a través de un sistema de sensores (5), y actúa sobre el sistema de impulsión (4), con el fin de reducir el consumo energético del sistema de cultivo (1 ) y adaptar la energía consumida a la realmente necesaria, mejorando la productividad del cultivo.

En la figura 1 b se observa un esquema general de un sistema de cultivo (1 ) según la invención, que comprende un fotobiorreactor (2), unos medios de agitación (8), un sistema de control (3) y un procesador (11 ). Los medios de agitación (8) efectúan la transferencia de masas en el fotobiorreactor (2). El sistema de control (3) recibe a través de un procesador

(11 ) las medidas de variables ambientales (irradiancia) o variables de cultivo (cantidad de oxígeno disuelto) realizadas a través de un sistema de sensores (5), y actúa sobre el sistema de agitación (8), con el fin de reducir el consumo energético del sistema de cultivo (1 ) y adaptar la energía consumida a la realmente necesaria, mejorando la productividad del cultivo.

En una descripción preferente de la invención, tal y como se expresa en la figura 7, en función de distintos valores de irradiancia (11 , 12, 13), para conseguir un consumo de energía aportada (Eap) óptimo, se trata de consumir la cantidad mínima de energía, para asegurar unas condiciones de trabajo que nos permita la absorción de una energía (energía captada, Ecap) incidente determinada (Edet). Esta energía incidente determinada, será menor o igual que la máxima energía incidente aprovechable (Emaxl , Emax2, Emax3). Preferentemente, esta energía incidente determinada, en cada momento, vendrá dada por el punto de tangencia de la tangente a la curva cuando el valor de la tangente es uno.

Tal y como se expresa en la figura 8a, puede ocurrir que haya errores en el sistema de control (tanto en sensores como en impulsores o agitadores, o en otros elementos del sistema de control), esto provoca que en ciertos puntos de la curva Ecap-Eap, el efecto de un pequeño error descendente en la energía aportada (ERREap), puede suponer un descenso grande de la energía captada (error de energía captada, ERREcap). Esto es debido a las distintas pendientes en los puntos de la curva. También pueden existir errores en los sensores.

Por tanto, tal y como se expresa en la figura 8b, en otra realización preferente de la invención se puede adoptar la estrategia de control, basada en que la energía aportada sea mayor que la energía correspondiente al punto óptimo (en este caso la llamaremos energía determinada con error asumido, Edet_err), de esta forma siempre se aprovechará al máximo toda la energía incidente, aunque en momentos puntuales se pueda estar usando la energía con una eficiencia no óptima.

SEGUNDA REALIZACIÓN: FOTOBIORREACTOR INCLINADO

Tal como se aprecia en la figura 2, el sistema de cultivo (1 ) de microalgas de la invención comprende un fotobiorreactor (2) de película (6) inclinada y un sistema de control (3) de altura de la película (6) de cultivo en función de la irradiancia solar.

El fotobiorreactor (2) de película (6) inclinada comprende una superficie inclinada (7) por la que desciende una película (6) de medio de cultivo de microalgas. El medio de cultivo circula y es impulsado por medio de unas bombas (4) desde un depósito (9) hacia la parte superior del fotobiorreactor (2), desde donde cae por gravedad a lo largo de la superficie inclinada (7) de nuevo hasta el depósito (9) en el que se introduce CO2 en función del pH y se atempera dicho medio de cultivo, entendiendo por atemperar, adecuar la temperatura del medio de cultivo al óptimo del microorganismo.

El sistema de control (3) de altura del medio de cultivo comprende un medidor de irradiancia (10), un procesador (11 ) y un variador (12) de caudal.

El medidor de irradiancia (10) determina la irradiancia solar incidente sobre el fotobiorreactor (2). El procesador (11 ) está conectado al medidor de irradiancia (10), en este caso un piranómetro (10), y recibe de dicho piranómetro (10) una señal de actuación para actuar sobre el variador de caudal (12), que actúa a su vez sobre las bombas (4), produciendo una variación del caudal del medio de cultivo que se introduce en el fotobiorreactor (2).

La variación de caudal puede ser mediante actuación sobre el número de bombas (4) que impulsan el medio de cultivo hacia la parte superior del fotobiorreactor (2) o sobre la intensidad eléctrica de funcionamiento de dichas bombas (4), por medio de un variador de frecuencia (no mostrado).

La presente invención, en el caso del fotobiorreactor inclinado, puede comprender un sistema de recogida (13) de aguas pluviales, (ver figuras 3a, 3b, 4a y 4b) que comprende a su vez, un detector de lluvia (14), unos medios de desvío (15) de las aguas pluviales, y un depósito (9) compartimentado (aunque también puede comprender la opción de varios depósitos independientes, no mostrados en las figuras). Cuando hay lluvia, el sistema de recogida (13) de aguas pluviales funciona de la siguiente manera, el detector de lluvia (14) manda una señal al procesador (11 ) que detiene el/los variadores de caudal (12), de forma que el medio de cultivo queda contenido en el compartimento del depósito donde se encuentra el resto del cultivo. Una vez recogido todo el medio de cultivo, se activan los medios de desvío (15) de las aguas pluviales caídas sobre la superficie del fotobiorreactor (2), que hace que las aguas de lluvia que caen sobre la superficie del fotobiorreactor (2) se dirijan hacia el compartimento del depósito que funciona como contenedor de agua. Según se puede ver en las figuras 3a y 3b, se trata de un sistema de recogida (13) basado en doble canal. Los medios de desvío (15) de las aguas pluviales comprenden un elemento basculante (31 ) capaz de dirigir el fluido selectivamente hacia un primer compartimento (17) o un segundo compartimento (18) en que se divide el depósito (9). El primer compartimento

(17) actúa como depósito del medio de cultivo, y el segundo compartimiento

(18) es una canalización de aguas pluviales (depósito contenedor de agua).

En otra variante de la invención, como se puede ver en las figuras 4a y 4b, se trata de un sistema de recogida (13) donde el depósito (9) comprende una tubería (19) en su interior. Los medios de desvío (15) de las aguas pluviales comprenden un canalón (21 ) de recogida de medio de cultivo, cubierto por una tapa (20) pivotante respecto del canalón y que cubre dicho canalón (21 ). El canalón (21 ) dirige el medio de cultivo hacia la tubería (19). La tapa (20) del canalón (21 ), en su posición de trabajo normal, se encuentra abierta, permitiendo al cultivo dirigirse hacia la tubería (19). En situación de lluvia (o en situación de activación del interruptor global de seguridad), dicha tapa (20) cubre el canalón (21 ) y desvía las aguas de lluvia u otros elementos (nieve, granizo...) hacia el depósito (9).

Como se puede ver en la figura 9, se incluye además una cubierta (32) soportada por una sobrepresión en el interior del fotobiorreactor. Esta cubierta está asociada a unos impulsores de gas (33), que crean una sobrepresión en la cara interior de la cubierta (32), lo que permite que la cubierta (32) quede en una posición más o menos fija por encima de los fotobiorreactores (2) inclinados.

TERCERA REALIZACIÓN: FOTOBIORREACTOR TIPO BOLSA Tal como se aprecia en la figura 6, el sistema de cultivo (1 ) de la tercera realización preferente comprende un fotobiorreactor (2) de tipo bolsa, donde el fotobiorreactor (2) comprende una bolsa (16) transparente soportada por una estructura (no mostrada) en forma de prisma rectangular de anchura sustancialmente menor que las otras dos dimensiones. La invención comprende asimismo, unos medios de agitación (8), y un procesador (11 ).

Para un fotobiorreactor (2) tipo bolsa, el ahorro de energía se consigue adecuando la agitación del cultivo a la irradiancia medida. Para ello, la invención incorpora un sistema de control (3) de la agitación del cultivo en función de la irradiancia solar.

El medio de cultivo contenido en el fotobiorreactor (2) tipo bolsa se agita mediante unos medios de agitación (8) (mediante burbujeo de un gas, por ejemplo el aire, mediante agitación mecánica, mediante bombeo,...), con el fin de obtener una buena distribución de nutrientes, y obtener una buena distribución de irradiancia.

El sistema de control (3) de la agitación del cultivo, permite la medición de irradiancia solar y el ajuste de la agitación del cultivo en función de la medición de irradiancia. Para llevar a cabo dicha función, el sistema de control (3) de la agitación comprende uno o varios medidores de irradiancia (10), tal como un piranómetro (10) o similar.

El medidor de irradiancia (10) está adecuadamente orientado con el fotobiorreactor (2), de manera que la irradiancia medida por el medidor de irradiancia (10) se corresponde sustancialmente con la irradiancia que incide sobre el cultivo. Mediante el empleo de dicho medidor de irradiancia (10) se determina la energía real que incide sobre el cultivo del fotobiorreactor (2).

El procesador (11 ), que está conectado con el medidor de irradiancia (10), recibe la señal de dicho medidor de irradiancia (10) y envía una señal de actuación sobre los medios de agitación (8) que, en función de la señal de actuación recibida por el procesador (11 ), agitan en mayor o en menor grado el cultivo dentro del fotobiorreactor (2).

Puesto que la agitación determina la exposición a la luz de todo el cultivo contenido en el fotobiorreactor (2) tipo bolsa, mediante la variación de la intensidad de agitación de los medios de agitación (8) se consigue dotar al cultivo de una exposición óptima en función de los valores de irradiancia detectados por el medidor de irradiancia (10). CUARTA REALIZACIÓN: FOTOBIORREACTOR CERRADO

Para un sistema de cultivo (1 ) según la invención, dotado de un fotobiorreactor (2) cerrado, como el de la figura 5, el ahorro de energía se consigue adecuando la velocidad del cultivo a los niveles de cantidad de oxígeno disuelto, por medio de un sistema de control (3) del tiempo de exposición del cultivo, en función de la cantidad de oxígeno disuelto, tal como muestra la figura 5.

El medio de cultivo, contenido en el fotobiorreactor (2) cerrado, se impulsa por medio de unos medios de impusión (4), a través de un lazo cerrado (26).

Se introduce CO ₂ en función del pH y se atempera el medio de cultivo, entendiendo por atemperar, adecuar la temperatura del medio de cultivo a la temperatura óptima de crecimiento del microorganismo. La invención comprende también un elemento desgasificador (27).

El sistema de cultivo (1 ) de la invención incluye un depósito (9), que puede formar parte del desgasificador (27), o incluirse como un elemento aparte. El depósito (9) se encuentra a una cota inferior a la cota del lazo (26), de tal manera que todo el medio de cultivo puede quedar recogido en dicho depósito (9), facilitando el control, la termostatización, operaciones de mantenimiento en los lazos (26) y en cualquier otro caso de emergencia donde se necesite un vaciado de los lazos (26). La introducción de C0 ₂ , así como el atemperar el cultivo se efectúa en el depósito (9) o después del elemento desgasificador (27).

El lazo (26) comienza y acaba en el elemento desgasificador (27). El sistema de control (3) del tiempo de exposición del cultivo, comprende uno o varios oxímetros (28) para medir el oxígeno disuelto en el cultivo, lo que permite ajustar la velocidad del fluido dentro de lazo (26) en función del oxígeno disuelto, y por tanto, ajustar el tiempo de exposición del medio de cultivo por medio de unos variadores de caudal (12) del cultivo, accionados por orden de un procesador (11 ) que recibe y procesa la señal de los oxímetros (28).

La medición del oxígeno disuelto puede hacerse tanto al final del lazo (26), como a lo largo de dicho lazo (26), así como también pueden hacerse varias tomas de medida a lo largo del lazo (26). Mediante el empleo de los oxímetros (28) se determina el rendimiento fotosintético que está teniendo el cultivo.

Tal como se acaba de indicar, el procesador (11 ), que está conectado con el oxímetro (28), recibe la señal de dicho oxímetro (28) y envía una señal de actuación sobre uno o varios variadores (12) de caudal, entendiendo por variador (12) de caudal cualquier sistema que permita regular el caudal de cultivo a través del lazo. El variador (12) de caudal puede estar formado por uno o varios sistemas. El variador de caudal (12) puede estar integrado y formar parte de otro sistema, tal y como bombas, oxímetros, o procesador/es.

El variador de caudal (12) activa un mayor o menor número de bombas (4) impulsadoras de medio de cultivo en función del oxígeno disuelto, o bien puede actuar sobre una o varias bombas (4) por medio de uno o varios variadores de frecuencia (no representados). Se fija un valor máximo de cantidad de oxígeno disuelto, a partir de la cual, se aumenta el caudal, al considerarse como cercano al límite de toxicidad. Este valor se fija por debajo de 300% (preferentemente en un 250%), con respecto a la solubilidad del oxígeno en agua pura a las mismas condiciones de presión y temperatura.

Se fija asimismo un valor mínimo de cantidad de oxígeno disuelto, a partir de la cual, se disminuye el caudal, al considerarse que no hay una productividad adecuada. Este valor se fija por encima de 100% (preferentemente en un 150%), con respecto a la solubilidad del oxígeno en agua pura a las mismas condiciones de presión y temperatura.

Se fija una referencia a seguir por el sistema de control ("setpoint") de cantidad de oxígeno disuelto, que a través de un algoritmo de control, se sigue de la forma más fiel posible. Este valor se fija entre 150% y 250% (preferentemente 200%), con respecto a la solubilidad del oxígeno en agua pura a las mismas condiciones de presión y temperatura.

El sistema de la invención comprende un sistema de medición de temperatura ambiente (29), que comprende a su vez un sensor de temperatura (30) conectado al procesador (11 ). Cuando la temperatura disminuye de un valor determinado, el sensor de temperatura (30) envía una señal al procesador (11 ) que detiene el/los variadores de caudal (12), de forma que el medio de cultivo queda contenido en el depósito (9). Cuando la temperatura sube de un determinado valor se activan los variadores de caudal (12) para volver al funcionamiento normal del sistema.

El valor a partir del cual el sistema de medición de temperatura (29) ambiente detiene el funcionamiento de los variadores de caudal (12) viene determinado por una temperatura de consigna que busca la protección del cultivo frente a congelación, o frente a variación excesiva de la temperatura del medio de cultivo. De esta forma se puede evitar que el medio de cultivo se congele y se evitan todos los problemas asociados, como por ejemplo, problemas en los elementos impulsores, rotura de tuberías, etc..