SISTEMA DE CULTIVO CELULAR PARA LA PRODUCCIÓN DE MICROORGANISMOS FOTOSINTÉTICOS
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OBJETO DE LA INVENCIÓN
1 O 15 20 La presente invención se refiere a un sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, constituyendo lo que se conoce como un fotobiorreactor panelar de lecho fluidizado, basándose en incorporar una serie de módulos materializados en cámaras de cultivo dispuestas en serie, cuyo volumen es ampliable, contando cada módulo o cámara con medios de agitación por micro burbujas. El sistema se enmarca dentro del ámbito de la biotecnología y la ingeniería química y de bioprocesos, y tiene por objeto minimizar la superficie de cultivo con el consiguiente ahorro de terreno necesario, en base a la modularidad del sistema que hace posible acoplar en serie distintos módulos de cultivo, escalando el volumen de cultivo hasta el volumen deseado.
25 ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los fotobiorreactores son dispositivos para el cultivo de microorganismos fotosintéticos como microalgas, cianobacterias o bacterias fotosintéticas, en los que es posible el crecimiento y multiplicación del
número de células, favoreciéndose la producción de biomasa y/o de
diferentes metabolitos de interés. Están constituidos básicamente por un
recipiente de cultivo expuesto a una fuente de luz, al que se le suministran los
nutrientes necesarios para el óptimo crecimiento del cultivo y/o la producción
5 de metabolitos.
Se han empleado hasta ahora múltiples diseños de
fotobiorreactores para el cultivo de organismos fotoautotróficos, que han
permitido el cultivo intensivo de los mismos. Básicamente pueden
1 O distinguirse dos tipos de sistemas o diseños básicos para la producción de
microorganismos fotoautotróficos; los sistemas abiertos, en los que el cultivo
está en contacto con la atmósfera, y los sistemas cerrados, comúnmente
llamados fotobiorreactores, en los que el cultivo tiene poco o ningún contacto
con la atmósfera.
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Los pnmeros son los más simples desde el punto de vista
tecnológico y, tal vez por ello, han sido tradicionalmente los más empleados.
La mayoría de estos sistemas son del tipo carrusel o raceway, que permiten
alcanzar densidades celulares en torno a lg de células (peso seco) por litro.
20 Estos sistemas están constituidos por canales poco profundos (nivel de agua
de 15-20cm) en forma de circuito cerrado, en los que el medio de cultivo es
impulsado mediante paletas rotatorias. Aunque tienen la ventaja del bajo
coste de operación, requieren de grandes áreas de terreno, alcanzan bajas
productividades, tienen un elevado consumo de C02, los cultivos sufren con
25 frecuencia contaminación, la recuperación del producto a partir de los medios
diluidos que se alcanzan es costosa, y es difícil controlar variables ambientales como la temperatura.
Estos inconvenientes de los sistemas abiertos han estimulado el desarrollo de sistemas cerrados o fotobiorreactores, que tienen un mayor rendimiento en general y un control mucho más exhaustivo de todos los parámetros involucrados en el cultivo, salvando así algunos de los obstáculos que frenan en la actualidad el desarrollo de la tecnología del cultivo de microalgas en general y de su producción a escala industrial a bajo coste.
Dentro de los sistemas cerrados existen, además, variaciones de diseño fundamentalmente relacionadas con la geometría del espacio destinado a albergar el cultivo, y encaminadas en muchos casos a la mejora del aprovechamiento de la luz por parte del microorganismo. En los cultivos en los que otros factores no son limitantes, esta disponibilidad de luz, y su aprovechamiento por parte del microorganismo, determinan la actividad fotosintética y por tanto la velocidad de crecimiento y productividad del sistema. Así, y aunque existen modificaciones de cada una de las siguientes geometrías, pueden diferenciarse básicamente tres tipos de diseños: fotobiorreactores panelares, fotobiorreactores de columna de burbujeo y fotobiorreactores tubulares.
Cada uno de estos sistemas ha sido descrito en diversos documentos científicos y objeto de varias patentes.
Así, en la patente internacional WO 2004/074423-A2, se describe un reactor para el cultivo de microorganismos fotosintéticos basado en una cámara de cultivo delimitada por paredes de material transparente, contenida en una estructura metálica en forma de malla, y fluidizado por aire introducido por la parte inferior. El sistema comprende también un sistema de refrigeración mixto por serpentín y/o rociadores de agua, y la disposición de los sensores necesanos para la medida y regulación de los principales
parámetros físico-químicos del cultivo.
La patente de Estados Unidos 4952511 describe un fotobiorreactor
5 para el cultivo de microorganismos fotosintéticos. Este fotobiorreactor
comprende un tanque, al menos una cámara de luz, que se extiende hacia
dentro del tanque, y al menos una lámpara de alta intensidad, cuya luz se
dirige a la cámara de luz. Cada una de las cámaras de luz posee al menos una
pared transparente y un dispositivo para la distribución esencialmente
1 O uniforme de la luz de la lámpara sobre la pared transparente.
Para el desarrollo industrial de la tecnología del cultivo de
microorganismos fotoautótrofos es necesario realizar el escalado de los
sistemas fotobiorreactores cerrados. Este escalado presenta aún limitaciones
15 importantes, ya que hay cuestiones clave que deben ser aún resueltas como el
efectivo y eficiente aprovechamiento de luz, el suministro de co2 con las
menores pérdidas posibles, o la eliminación del oxígeno generado durante la
fotosíntesis, cuya acumulación puede inhibir el metabolismo y producir
daños en el cultivo.
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Con este propósito se han ensayado sistemas tubulares, tanto
verticales como horizontales de columna de burbujeo o panelares. Los
intentos más decididos en cuanto al escalado de estos sistemas se han
producido en sistemas tubulares, considerados como los más adecuados para
25 el cultivo comercial de microalgas a gran escala. Sin embargo, siguen
apareciendo algunos de los problemas fundamentales antes mencionados,
como la acumulación de oxígeno disuelto (producto de la fotosíntesis) , el agotamiento de C02, o las variaciones de pH, que limitan la longitud de los
tubos y en consecuencia el escalado del sistema. Por tanto, los reactores
tubulares no pueden escalarse indefinidamente, y las plantas de producción a
gran escala dependen en parte de multiplicar el número de unidades de
reactores.
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Además del escalado, otro de los problemas fundamentales a la
hora de obtener altas productividades de biomasa está relacionado con la
óptima distribución de la luz en el interior del cultivo. Las células en un
fotobiorreactor están expuestas a altas intensidades de luz en las
1 O proximidades de la pared, mientras que en las zonas centrales pueden llegar a
estar en oscuridad debido al efecto del autosombreado. Las corrientes en el
medio líquido mueven las células a través de zonas con diferente iluminación
produciéndose una fluctuación en el régimen de luz para cada célula
individual que pasa por las diferentes zonas, iluminadas o no. En este sentido,
15 podría hablarse de tres zonas de luz en el reactor: una zona exterior, cercana a
la pared, que está expuesta a elevadas intensidades de luz y puede provocar
fotoinhibición (daños por exceso de luz) ; una zona intermedia con
iluminación ideal; y una zona interna con falta de luz y elevada velocidad de
respiración.
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DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El sistema que se preconiza ha sido concebido para resolver la
problemática anteriormente expuesta, previéndose en primer lugar una
25 modularidad del mismo que hace posible acoplar distintos módulos de cultivo
ensene. Igualmente, la especial configuración y geometría del sistema, que
en adelante se describirá, en forma de paneles verticales, permiten minimizar
la superficie de cultivo, con el consiguiente ahorro de terreno.
5 1 O Mas concretamente, el sistema de la invención, constitutivo de un fotobiorreactor panelar de lecho fluidizado, comprende una pluralidad de módulos en serie, escalable, estando cada módulo formado por una cámara estanca de cultivo establecida por un marco delimitado por dos placas transparentes, unidos entre si por medios mecánicos o hidráulicos, estando placas y marco de la cámara de cultivo montados sobre una plataforma horizontal y dispuestos verticalmente sobre un sistema de raíles.
15 El módulo o cámara de cultivo, y concretamente el marco a partir del cual se constituye, está dotado de diferentes puertos, en unos casos para entrada de nutrientes, en otros casos para salida del cultivo, así como para entrada de gases y para el montaje de diferentes sensores que permiten realizar el seguimiento de la evolución del cultivo, sensores que pueden ser específicos para conocer el pH, el oxígeno disuelto, el C02, la temperatura, etc.
20 25 Por su parte, las placas que participan en la cámara de cultivo, podrán ser de grosor variable en función del paso de luz requerido para el cultivo, al igual que el marco, que será metálico o de plástico, de manera tal que el citado grosor puede regularse variando el espesor de la placa que se monta en el marco, o bien añadiendo nuevos marcos para conseguir el paso de luz deseado. El sistema incluye medios que que dirigen luz desde el exterior al espacio de cultivo, es decir a la cámara, elementos que pueden colocarse
5 anexos a cada módulo o cámara de cultivo o bien ser paneles de luz insertables entre módulos de cultivo adyacentes, suministrando luz por ambas caras, con la particularidad de que los paneles de luz pueden tener como fuentes de emisión, lámparas de luz blanca acalórica, diodos LED 's, o cualquier otra fuente de luz aprovechable por la célula.
1O El sistema puede complementarse con módulos de refrigeración anexos a cada módulo o cámara de cultivo, en aquellos casos en que la fuente de luz eleve la temperatura por encima del valor óptimo para el crecimiento celular y/o la producción de metabolitos de interés.
15 Esos eventuales módulos de refrigeración están constituidos mediante un marco adyacente al módulo de cultivo, con el que comparte una de sus placas, con lo que esa placa compartida constituye una amplia superficie de contacto a través de la cual se lleva a cabo la transferencia de calor por conducción entre el fluido refrigerante y el cultivo.
20 Cabe decir que en cada caso el módulo de refrigeración está conectado a un equipo de frío que mantiene la temperatura del fluido refrigerante en el valor apropiado para el crecimiento del microorganismo y/o la producción de metabolitos de interés.
25 Otra característica que presenta el sistema de la invención es su carácter modular y facultad de desmontaje, para facilitar su limpieza y versatilidad. En cuanto al medio de agitación por microburbujas en cada cámara de cultivo, el mismo se basa en unos difusores a través de los cuales
se inyectan por la parte inferior de la cámara los gases al interior de la misma, produciendo una agitación efectiva del cultivo, de manera que esos difusores estarán constituidos preferentemente por un material poroso que ocupará total
o parcialmente la superficie de la base del módulo o cámara de cultivo, promoviendo una agitación interna mediante la formación de microburbujas.
El sistema puede complementarse igualmente con medios de humidificación de gas antes de su entrada a la cámara de cultivo, evitando con ello evaporaciones.
También se ha previsto que opcionalmente se incluyan medios de control del pH del medio de cultivo, conectado con los medios de inyección de C02, lo que permite controlar el pH mediante inyección de C02 a demanda, en función del valor medido en el interior del cultivo.
El medio de cultivo se adiciona sobre la cámara a través de una entrada o puerto previsto en la parte superior, conectándose con el correspondiente tanque de alimentación del medio de cultivo a la cámara, pudiendo dicho tanque de alimentación disponer de un tanque adicional pulmón de C02, que minimice el consumo del mismo.
También se han previsto en la parte supenor puertos para adicionar una sustancia antiespumante en caso necesario (para evitar una excesiva formación de espumas) , estando esos puertos conectados con el sensor correspondiente para controlar la formación de espuma mediante la apertura/cierre de la respectiva válvula de adición de antiespumante en caso necesano.
También se ha previsto que opcionalmente el sistema pueda incluir un condensador de gases ( aire/C02) , paras mantener el balance de aire/C02 en el interior de la cámara de cultivo, evitando evaporaciones, para lo cual está conectado a la unidad de frío, condensando así el gas evaporado durante el proceso.
También se ha previsto que se incluya un sensor de gases (C02 y 0 2 disuelto) , que permite monitorizar en caso necesario la cantidad de gas consumido por el cultivo.
Por último decir que la configuración modular del sistema puede seguir una secuencia determinada que será modificada en caso de no requerir medios de refrigeración.
El sistema así constituido, además de servir para la producción de microorganismos fotosintéticos, puede funcionar como sumidero de C02, monitorizando la velocidad de fijación de este gas de efecto invernadero mediante el cultivo de microorganismos.
Igualmente, previo acondicionamiento de corrientes ricas en C02, como puede ser el caso de efluentes industriales, el sistema puede emplearse para reducir emisiones de industrias generadoras de C02, convirtiendo dicho gas en biomasa y formando parte de un hipotético proceso de tratamiento de efluentes para adecuar los niveles de este gas emitido a la atmósfera a aquellos recogidos en la legislación en materia de emisiones.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, 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:
La figura 1. Muestra una representación esquemática de lo que puede considerarse como una posible configuración de uno de los módulos o cámaras de cultivo, en el que participa un marco de cultivo y un marco para albergar el fluido de refrigeración.
La figura 2. Muestra un detalle ampliado y frontal del marco correspondiente al módulo o cámara de cultivo, en donde se dejan ver los puertos para las entradas, salidas, conexiones de sensores, etc.
La figura 3. Muestra una representación esquemática según una perspectiva en explosión de la posible instalación de uno de los módulos del sistema de la invención.
La figura 4. Muestra, finalmente, una posible secuencia de la configuración modular del sistema, en el caso de requerir refrigeración de los cultivos.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Como se puede ver en las figuras referidas, el sistema de la
invención comprende una pluralidad de módulos formados por cámaras de
5 cultivo (1 ) , conectadas en serie como se deja ver en la figura 4,
comprendiendo cada cámara un marco (2) , denominado marco de cultivo, al
que se asocian una pareja de placas de material transparente (3) , así como una
placa (4) conductora de calor, de manera que en el caso de requerir
refrigeración, el marco de cultivo (2) se complementa con un marco (5)
1 O correspondiente a un dispositivo de refrigeración, completándose la cámara
con marcos externos (6) para fijar las placas (3) al marco de cultivo (2) .
El marco (5) del dispositivo de refrigeración corresponde al
módulo de refrigeración (7) representado en las figuras 3 y 4, en las que
15 además se ha representado un panel de luces (8) .
En la figura 3 se muestra concretamente una posible instalación de
uno de los módulos del sistema, donde la cámara de cultivo (1) y
concretamente el marco de cultivo (2) , comprende una serie de puertos (9)
20 para distintos tipos de sensores, tales como de pH, oxígeno disuelto, de
temperatura, nivel, etc., para seguimiento y control de la evolución del
cultivo, así como para acoplar los medios necesarios para el mantenimiento
del mismo, tales como condensador, adición de antiespumante, etc. En ese
mismo marco está establecido un puerto ( 1 O) para entrada de C02, así como
25 puertos (11) para entrada de gases, incluyendo en correspondencia con una
parte superior puertos (12) para salida de cultivo. También se incluye en la parte supenor un puerto (13) para
entrada del medio de cultivo.
Pasando a la figura 3, se ve la posible instalación de uno de los
módulos del sistema, con la cámara de cultivo (1 ) , con los puertos y
5 elementos anteriormente referidos, el panel de luces (8) , el dispositivo de
refrigeración (7) , asociado a un equipo de frío (14) , viéndose además un
tanque (15) para la alimentación del medio de cultivo a la cámara (1 ) , a través
de la parte superior de ésta, mientras que la introducción de co2 se realiza a
partir de un botellón de suministro (16) , y se introduce, junto con el aire, por
1 O los correspondientes puertos, con la ayuda de un compresor (17) , que incluye
un filtro (18) y un humidificador de aire (19) , previéndose válvulas de flujo
(20) y un equipo de control (21 ) .
En esa figura 3 se deja ver la salida de cultivo (22) , que
15 lógicamente estará conectada a los puertos (12) , viéndose igualmente la
salida de toma de muestras (23) , y las entradas (24) . En la parte superior
existe una conexión (25) para un sensor de nivel, así como para entrada de
antiespumante (26) .
20 Los módulos, de acuerdo con lo descrito, pueden acoplarse en
serie, escalando el volumen de cultivo hasta el volumen deseado, siempre
según una disposición de paneles verticales que consiguen minimizar la
superficie de cultivo.
25 La optimización de la distribución de luz en las correspondientes
cámaras de cultivo (1 ) , está condicionada al grosor entre las placas (3) del
módulo o cámara de cultivo (1 ) , siendo el grosor de esas placas variable de forma que pueden emplearse pasos de luz adecuados a la densidad de cultivo,
para optimizar la productividad.
Por su parte, para optimizar el régimen lumínico (ciclos luzoscuridad) , se inyectan los gases ( aire/C02) por la parte inferior del módulo 5 de cultivo, determinando un medio de agitación por microburbujas, de forma que la frecuencia de los ciclos referidos promueve un aumento de productividad, asociada en cada caso a la intensidad de luz empleada, siendo esta intensidad también regulable mediante los paneles de luces (8) ya referidos con anterioridad, provistos de potenciómetro variador de intensidad,
por lo que el ajuste adecuado de estas variables (paso de luz-intensidad de luz-agitación) , asociado a la densidad celular, permite la optimización de la distribución de luz en el sistema.
También hay que tener en cuenta que en la parte superior de cada 15 cámara de cultivo (1) se establece una cámara de aire que permite el intercambio gaseoso con el cultivo, así como la posibilidad de remover el oxígeno disuelto generado para evitar valores de concentración del mismo que comprometan el crecimiento del microorganismo.
