MX2008011715A - Metodos y sistemas para la produccion a gran escala de algas ricas en aceite. - Google Patents

Abstract

Se describen métodos y sistemas para el cultivo de microorganismos tales como algas, levadura y bacterias. Unidades de fermentación de semillas son asociadas con estanques de fermentación final en varias disposiciones. Se incluyen modos de operación continuos, semi-continuos, de alimentación por lotes y por lotes de las unidades de fermentación de semillas y unidades de fermentación final. Se describen métodos de cosecha para el material celular y productos relacionados.

Description

METODOS Y SISTEMAS PARA LA PRODUCCION A GRAN ESCALA DE ALGAS RICAS EN ACEITE CAMPO DE LA INVENCION La presente invención es concerniente en general con el cultivo de microorganismos y en particular con el cultivo y cosecha mejorados a un nivel deseable comercialmente de producción de producto.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION Los microorganismos, dependiendo de la especie, se incrementan en número mediante fisión binaria gemación o mediante crecimiento filamentoso. La fisión binaria es la separación de una célula inicial, una célula madre en dos o más células hijas de aproximadamente igual tamaño. Este es un método muy común de multiplicación. La división de gemación involucra la creación asimétrica de una yema de cultivo, en la célula madre. La yema se incrementa en tamaño y eventualmente es dividida de la célula madre. Después que la división está completa, la célula madre reinicia el proceso al cultivar otra yema. Las levaduras y algunas bacterias (por. ejemplo, Caulobacter) usan esta forma de división. El crecimiento filamentoso está caracterizado por la formación de filamentos no divididos de ramificación largos que contienen múltiples cromosomas. A medida que el cultivo procede, los filamentos incrementan en longitud y número. La especie Streptomyces y muchos hongos crecen de esta manera. Un tipo deseable de cultivo es fisión binaria. Cuando son cultivadas en medio liquido, los cultivos bacterianos avanzan por medio de varias fases distinguibles, que pueden ser caracterizadas al graficar el logaritmo de número de células contra el tiempo. Una curva de cultivo típica tiene cuatro fases de cultivo. En las que se incluyen la fase de retardo, fase de crecimiento exponencial (también denominada crecimiento equilibrado), fase estacionaria y fase de muerte; una curva de cultivo ejemplar es ilustrada en la Figura 1. Comúnmente, cuando un organismo es inoculado a un medio nuevo, necesita adaptarse a los nuevos nutrientes disponibles, sintetizar ARN y proteína y finalmente replicar su ADN antes de iniciar la división. Estos procesos toman tiempo, tiempo durante el cual no hay en general ningún incremento neto en el número de células, que es característico de la fase de retardo ( 1 ) . Con referencia continua a la Figura 1, una vez que las enzimas apropiadas para cultivo en un medio particular han sido expresada, las células se comienzan a multiplicar. Este período de división máxima puede durar varias horas o días, dependiendo del organismo y es llamada la fase de crecimiento logarítmica o exponencial (2). Eventualmente , el incremento en el número de células se detiene, ya sea debido a que las células se detienen de dividirse o la velocidad de división es igual a la velocidad de muerte de la célula, dando como resultado una fase estacionaria (3) . Esta es provocada usualmente por la limitación de un nutriente o una acumulación de un producto de desperdicio tóxico. Dependiendo de la bacteria, una fase estacionaria puede durar por varias horas a muchos días. Una curva de crecimiento típica puede incluir una fase de muerte (4) . Una disminución exponencial en el número de organismos debido a muerte celular ocurre durante esta fase. Algunos microorganismos nunca experimentan una fase de muerte o es extensamente retardada debido a su capacidad de sobrevivir por largos períodos sin nutrientes. Los factores que afectan el crecimiento incluyen por ejemplo temperatura, pH, concentración de oxígeno, concentración de nutrientes, concentración de sal, densidad de cultivo, entrada de energía (por ejemplo, luz del sol), concentración de dióxido de carbono, presión, profundidad de líquido y grado de esfuerzo cortante. Los métodos de cultivo de algas actuales incluyen fotobioreactores que se aproximan a condiciones de laboratorio con alto rendimiento, pero tienen comúnmente alto costo de capital. Otros métodos de cultivo pueden incluir lagunas que representan un medio ambiente natural parcialmente controlado con la ventaja de bajo costo de capital, pero portan comúnmente la desventaja de bajo rendimiento.

Las modalidades de la presente invención también son concernientes con métodos para la cosecha continua de microorganismos a gran escala. Debido a que pueden haber numerosos fondos, cada uno apto de ser sembrado de un sistema de fermentación de semilla estéril o no estéril, el ciclo de crecimiento puede ser desplazado entre cada fondo, de tal manera que puede haber siempre por lo menos un fondo preparado para cosecha cada día. Un ejemplo de un producto deseable comercialmente, es demostrado por el interés incrementado en biodiesel como una alternativa al petrodiesel. Tal interés ha conducido a muchos de aquellos experimentados en el arte a investigar la posibilidad de cultivar más cosechas de semilla de aceite como una solución al problema de producción de petróleo futura reducida. Hay dos problemas con este procedimiento: en primer lugar, esto desplazaría los cultivos de cosecha de alimentos para alimentar a la humedad y en segundo lugar, las cosechas de semilla de aceite tradicionales no son las más productivas o fuente eficiente de aceite vegetal. Las microalgas han sido consideradas como una alternativa. Tales algas son, por un factor de 8 a 25, para aceite de palma y un factor de 40 a 120 para colza, la cosecha de aceite vegetal templado de rendimiento de energía de potencial más alto. Las microalgas son los organismos de fotosíntesis que crecen más rápido. Pueden completar todo el ciclo de crecimiento cada pocos días. La producción de algas para cosechar aceite para biodiesel no ha sido emprendida a escala comercial, pero esfuerzos para investigar la factibilidad están en camino. además de los beneficios de alto rendimiento, la utilización de algas no compite con la agricultura por alimento, no requiriendo ni tierra de granja ni agua fresca.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION Las modalidades de la presente invención son concernientes con métodos para cultivar microorganismos tales como algas, levadura y bacterias en una laguna o tanque abierto. Las modalidades proporcionan requerimientos de relativamente bajo costo y bajo diseño. Las modalidades proporcionan además métodos de manufactura para el cultivo microbiano a gran escala para producción de un producto o componentes deseables comercialmente de un producto comercial. Todavía además, las modalidades de la presente invención con concernientes con procesos de cultivo continuo controlados para el crecimiento o cultivo de volúmenes grandes de microorganismos. Grandes volúmenes de microorganismos pueden ser benéficos cuando productos secundarios útiles o los cuerpos celulares son recolectados para propósitos comerciales. Los productos comerciales relacionados con modalidades de la presente invención incluyen pero no están limitados a aceites y grasas para aplicaciones _ de alimentos, farmacéuticos, industriales y de energía, también como pigmentos y antioxidantes útiles en aplicaciones farmacéuticas, formación de imagen médica, alimento e industriales. En una modalidad, se proporciona un sistema de fermentación de laguna que comprende un área de producción de inoculo central y dos o más lagunas de fermentación finales asociadas con el área de producción de inoculo central, en donde las lagunas de fermentación final irradian hacia afuera desde el área de producción de inoculo central. En un aspecto adicional, las lagunas de fermentación finales tienen una forma de cuña. En un aspecto adicional, cada laguna de fermentación final comprende además: una región de adición de medios próxima al área de producción de inoculo central y una región de cosecha de biomasa próxima a un extremo distante de la laguna. En una modalidad adicional, se proporciona un sistema de fermentación que comprende: un recipiente impermeable al agua con paredes laterales fijas y fondo, la laguna comprende además una parte superior o remate transmisora de luz, un medio apropiado para el cultivo de microbios fotosintéticos dentro del recipiente, el medio en un volumen dentro del recipiente que define una profundidad de cultivo y un distribuidor de gas para introducir gas debajo de la superficie del medio, en donde el distribuidor de gas está configurado para permitir el crecimiento en fase logarítmica dentro del recipiente a una profundidad de cultivo por lo menos 5 veces mayor que una profundidad de cultivo que permite el crecimiento microbiano de fase logarítmica sin gas introducido. En una modalidad adicional, se proporciona un sistema de laguna de fermentación que comprende: por lo menos una laguna de fermentación; un revestimiento de plástico removible y un monocultivo sustancialmente homogéneo de microorganismos. En un aspecto adicional, el cultivo sustancialmente homogéneo de microorganismos contiene menos de aproximadamente 10% de microorganismos diferentes de aquellos de la especie de monocultivo . En un aspecto adicional, el revestimiento de plástico removible comprende polietileno. En un aspecto adicional, el revestimiento de plástico removible es menor de 0.508 cm (200 milésimas de pulgada) de espesor . En una modalidad adicional, se proporciona un sistema de laguna de fermentación que comprende: un área de producción de inoculo alargada y por lo menos dos lagunas de fermentación finales asociadas con el área de producción de inoculo, en donde las por lo menos dos lagunas de fermentación finales están localizadas todo a un lado del área de producción de inoculo . En una modalidad adicional, se proporciona un sistema de laguna de fermentación que comprende: un área de producción de inoculo alargada y por lo menos dos lagunas de fermentación finales asociadas con el área de producción de inoculo, en donde las por lo menos dos lagunas de fermentación finales están localizadas transversales a y sobre lados opuestos del área de producción de inoculo. En un aspecto adicional, el área de producción de inoculo comprende además un fotobioreactor . En una modalidad adicional, se proporciona un método para poner en operación un sistema de fermentación de laguna que comprende: cultivar un cultivo de algas, microbiano o levadura en un primer recipiente de fermentación; transferir 10-90% del contenido del primer recipiente de fermentación a un termentador de laguna; rellenar el primer recipiente termentador con medio de cultivo y usar el contenido residual del primer recipiente termentador para inocular el primer cultivo de fermentador. En una modalidad adicional, se proporciona un sistema de laguna de fermentación que comprende: un componente de control de temperatura, el componente comprende: un componente de medición de temperatura configurado para medir la temperatura en el sistema y un componente de control para controlar la temperatura en respuesta a la medición. En un aspecto adicional, el componente de control comprende un serpentín sumergido.

En , un aspecto adicional, el componente de control comprende un encamisado sobre por lo menos una pared lateral o pared inferior de un recipiente de cultivo. En una modalidad adicional, se proporciona un método para cultivar un cultivo de un microorganismo que comprende: proporcionar un sistema de fermentación de laguna que comprende por lo menos una laguna de fermentación en forma de cuña; agregar medios aproximadamente de manera continua a la laguna en una vecindad del ángulo más agudo de la laguna en forma de cuña y cosechar el microorganismo aproximadamente de manera continua en la vecindad de un extremo de la laguna opuesto al ángulo .

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS Aspectos y ventajas adicionales de modalidades de la presente invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción que es dada a manera de ejemplo solamente y con referencia a las figuras adjuntas, en donde: La Figura 1 ilustra fases de crecimiento típicas de un microorganismo que muestra una fase de retardo inicial, una fase exponencial, una fase estacionaria y una fase de muerte. La Figura 2 es una ilustración esquemática parcial de un sistema híbrido de cultivo de algas. Las Figuras 3-5 ilustran un termentador de laguna estilo canal con cubierta.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA MODALIDAD PREFERIDA Ahora se describirán más plenamente modalidades de la presente invención con referencia a varias modalidades alternativas de la invención. Se comprenderá que la invención puede ser implementada en muchas formas diferentes y no debe ser interpretada como limitada a las modalidades resumidas en la presente. Más bien, estas modalidades ejemplares son provistas de tal manera que esta revelación pueda ser entendida por aquellos experimentados en el arte. Algunas modalidades de la presente invención incluyen un sistema para cultivar ios microorganismos. El sistema se puede poner en operación de manera por lotes o como una 'fermentación continua o semi-continua . En algunas modalidades, un área de etapa de semilla es ubicada convenientemente para suministrar un número de estructuras de fermentación finales tipo laguna. Para los propósitos de esta descripción, una laguna de fermentación comprende una estructura construida para contener un liquido, en donde por lo menos una dimensión horizontal es más de cuatro veces la profundidad del liquido, el volumen de liquido contenido es más de 1000 litros y contenido un monocultivo sustancialmente homogéneo de microorganismos. En general, estas lagunas contienen no más de aproximadamente 10% de microorganismos que son de una especie diferente de la especie de monocultivo y no hay introducción intencional de macroorganismos a la estructura. Esta área de fermentación de etapa de semilla o siembra y las lagunas finales pueden ser conectadas vía tubería fija, zanjas abiertas, zanjas cerradas, tubería removible, conductos u otros medios apropiados o pueden ser separados, con la siembra realizada manual o automáticamente. Un ejemplo de tal disposición de semilla-laguna comprende un área de fermentación de semilla central y lagunas finales dispuestas como áreas en forma de pay que emanan de esta área de fermentación de semilla central . Cada cuadrante o rebanada puede estar plenamente equipada para la operación de fermentación individual. Una sola de tales áreas puede ser abierta sola o al mismo tiempo como otra de tales áreas. Cuando múltiples áreas se ponen en operación, todas pueden ser inoculadas y ponerse en operación a aproximadamente el mismo tiempo o las áreas diferentes pueden ser escalonadas para llenarse, ser inoculadas o final en tiempos diferentes. En algunas modalidades, una instalación con múltiples lagunas se puede poner en operación para tener las fermentaciones de laguna preparadas para cosecha a tiempos diferentes para obtener un suministro estable de material celular para cosecha. Una vez que la fermentación en un área está completa o "finales", el producto puede ser cosechado por equipo dedicado a cada área individual o con equipo que es movido de un área a otra o puede ser transferido a un área de cosecha centralizada en donde la cosecha de células microbianas ocurre.

El área de fermentación final o "cuadrante" o "rebanada" o "rebanada" puede ser una sola o una pluralidad de fondos poco profundo o tanques abiertos. Puede tener una forma de cuña o de pastel o una forma diferente tal como cuadrada, rectangular, elíptica, recta, curva u otra forma orientada de manera irradiante desde el área de fermentación de semilla central. Estos fondos puede ser de longitud, profundidad y ancho variable dentro de un fondo específico y un fondo puede variar de otro. Las dimensiones específicas pueden ser ajustadas para acomodar diferentes proporciones de inoculo a fermentación final, diferentes velocidades de crecimiento de organismos, diferentes estrategias de alimentación para diferentes productos en diferentes organismos, diferentes densidades celulares, requerimientos de mezcla u otras condiciones de fermentación y diferentes volúmenes de producto. En una modalidad, el área de fermentación final puede ser un fondo con dimensiones de aproximadamente 3.7 metros (12 pies) x 4.6 metros (15 pies) x 0.15 metros (0.5 pies) de profundidad que crea un volumen de aproximadamente 5000 litros. Estas dimensiones se pueden hacer variar como sea necesario para asegurar suficiente penetración de luz del sol, aireación apropiada, espacio de equipo y circulación de nutrientes para el crecimiento apropiado de las células para producir el producto específico deseado. En ciertas modalidades, una laguna de fermentación en forma de cuña se pone en operación en un modo de fermentación continuo. La forma de cuña tiene aplicación particular al cultivo de organismos fotosintéticos en un cultivo continuo. En este procedimiento, los medios y opcionalmente el inoculo, son agregados en la vecindad del punto de la cuña. A medida que las células crecen y se multiplican, se alejan del punto y hacia la pared opuesta en donde son cosechadas. A medida que se mueven en esta dirección, las paredes de la laguna divergen, proporcionado mayor área superficial para las células que se multiplican. Esta área incrementada proporciona más luz del sol a los organismos crecientes al mismo tiempo que hay más organismos en necesidad de luz del sol. El tamaño del ángulo incluido de la forma de cuña determina cuanto el área se incrementa a medida que las células se alejan de la entrada. Este ángulo se p hacer variar de acuerdo con el crecimiento de un organismo particular en un medio particular bajo condiciones particulares. En tales modalidades, los medios pueden ser agregados a la laguna en una región de adición de medios . En ciertas modalidades, esta región de adición de medios puede estar próxima a o en la vecindad de un área de producción de inoculo central. En otras modalidades, esta región de adición de medios puede estar en la vecindad de un punto o ángulo más agudo de la laguna en forma de cuña. La biomasa de microorganismos puede ser cosechada en una región de cosecha de biomasa en un extremo distante u opuesto de la laguna del punto 1 o ángulo más agudo de la misma. Otra modalidad comprende un área de fermentación de semilla conectada a lagunas de fermentación finales dispuestas paralelas o aproximadamente paralelas entre si y una red de distribución de interconexión entre la fermentación de semilla y la fermentación final. Una sola área de fermentación de semilla puede suministrar todas las lagunas finales o solo una porción de las mismas o puede haber una sección de uno a uno de área de fermentación de semilla dedicada a laguna final. El área de fermentación de semilla puede ser una sola unidad de fermentación de semilla que suministra a todas las lagunas de fermentación finales que están asociadas con la misma. Alternativamente, puede haber múltiples unidades de fermentación de semillas dentro de área de fermentación de semilla central, de tal manera que las unidades de fermentación de semillas individuales están asociadas con lagunas de fermentación finales especificas o una pluralidad de unidades de fermentación de semillas están asociadas con cada laguna de fermentación final. La unidad de fermentación de semilla puede ser un fotobioreactor . Un fotobioreactor se puede poner en operación bajo control estéril. Alternativamente, la unidad de fermentación de semilla puede ser un bioreactor sin capacidad de luz o puede ser una laguna de fermentación. En otras modalidades, el área de fermentación de semilla puede ser colocada próxima a las lagunas de fermentación finales que están asociadas con la misma. Estas lagunas de fermentación finales se extenderían hacia afuera a un lado del área de fermentación de semilla. En otras modalidades, las unidades de fermentación de semillas se pueden poner en operación en un modo semi-continuo . Menos de todo el contenido de una unidad de fermentación de semilla sería transferido a una laguna de fermentación final como inoculo y luego se agregarían los medios a la unidad de fermentación de semillas sin limpieza o esterilización de la unidad de fermentación de semilla. El inoculo de semilla para la unidad de fermentación de semilla sería proporcionado sustancialmente por completo del residuo dejado en la unidad de fermentación de semilla de su ciclo previo. Este modo de operación permite un llenado más rápido y más frecuente de lagunas de fermentación de la unidad de fermentación de semillas también como un costo de operación más bajo. En varias modalidades, las lagunas de fermentación finales pueden ser establecidas en el suelo o elevadas tales como con patas, una estructura u otros medios apropiados. El fondo de la laguna puede ser inclinado, para permitir que la laguna se drene o para ayudar en el movimiento del cultivo o medio a lo lago de la longitud de la laguna. Alternativamente, la laguna puede ser establecida al suelo o tener paredes de soporte o gaviones a lo largo de los lados o puede ser fabricada con una construcción de medio tubo.

En algunas modalidades, las paredes de la laguna pueden ser aisladas, encamisadas, rastreada por calor o estar desnuda. Alternativamente, medios de calentamiento o enfriamiento pueden ser provistos al interior de la laguna de fermentación tales como serpentines de calentamiento o enfriamiento . En algunas modalidades, las paredes de la laguna pueden permitir la transmisión de luz de varias longitudes de onda especificas o pueden ser opacas. Las paredes de la laguna pueden permitir la transmisión de luz del sol al cultivo de fermentación . La laguna de fermentación puede incluir una cubierta. La cubierta puede ser removible o puede ser anexada permanentemente o puede ser engoznada. La cubierta puede permitir la transmisión de luz, tal como la luz del sol u otras fuentes de luz o puede ser opaca. En otras modalidades, la laguna incluye un revestimiento reemplazable. En algunas modalidades, el revestimiento puede tener agujero de aireación; en otras modalidades, el revestimiento no tiene agujeros. La laguna de fermentación puede ser construida con cualquier material apropiado tales como pero no limitado a acero inoxidable, metales resistentes a la corrosión, plásticos, cerámica, vidrio y elastómeros. Plásticos y elastómeros apropiados incluyen pero no están limitados a polietileno, polipropileno, PVC, Teflon, Tefzel, policarbonato, acrilicos, estireno, vinilo, poliuretano, hule, buna N, nitrilo, nylon, poliamida, neopreno y combinaciones de los mismos. En una modalidad, la laguna será revestida con un material de polietileno. En otras modalidades, la laguna seria revestida con polipropileno o PVC. En otra modalidad, un conducto de acero al carbono puede ser revestido con plástico, PVC, polietileno o polipropileno. En otras modalidades la laguna o el conducto puede ser recubierto con polietileno u otro recubrimiento no permeable al agua. La contaminación de la laguna con microorganismos exógenos puede ser controlada por medio de los medios y condiciones de fermentación también como con cubiertas instaladas sobre la laguna. Tales cubiertas pueden también impedir la contaminación con hojas, pellizcos, arena y otros desechos. Tales cubiertas pueden ser removibles o fijarse o articularse permanentemente. En otra modalidad, la operación de las lagunas de fermentación finales incluye solamente "aireación" superficial. El uso del término "aireación" en esta descripción se propone abarcar todas las formas de administración de un gas a las células del cultivo en el fermentador. El gas que es administrado puede incluir aire, oxigeno, dióxido de carbono, monóxido de carbono, óxido de nitrógeno, nitrógeno, hidrógeno, gases inertes, gases de escape, tales como de planta de energía y mezclas de los mismos. El gas puede ser presurizado o no y puede ser burbujeado o barboteado, introducido a la superficie del cultivo de fermentación, creado in situ o difundido a través de una membrana o barrera porosa o semi-permeable . En otras modalidades, la laguna de fermentación de finales son aireadas mediante burbujeo o barboteo de gas por debajo de la superficie del liquido. En otras modalidades, las laguna de fermentación finales son aireadas a introducir el gas sobre un lado de una barrera porosa o semipermeable con el cultivo de fermentación sobre el lado opuesto de la barrera. En otras modalidades, se usa una combinación de estos métodos de aireación . En otras modalidades, la laguna de fermentación final incluye un mecanismo para mezclar el cultivo o medios de fermentación. El mecanismo puede ser, pero no está limitado a rueda de paletas, propulsor, turbinas, paleta o elevador de aire. Un dispositivo mezclador de un solo diseño puede ser usado o múltiples unidades de un solo diseño pueden ser usadas o múltiples unidades de diferentes diseños pueden ser usadas. La unidad mezcladora puede ser usada para impartir movimiento direccional al cultivo de fermentación, tal como para hacer mover el cultivo adicionalmente a lo largo del revestimiento o dimensión de lado a lado de la laguna o puede ser usado para impartir movimiento vertical al cultivo, tal como para hacer mover las células a o a lo lejos de la superficie o puede ser . usado para mezclar el cultivo en su lugar, crear esfuerzo cortante, romper burbujas, romper masas agregadas de células, mezclar nutrientes, traer las células en contacto con nutrientes o puede ser usada para hacer una combinación de estas cosas. La elevación de aire puede ser obtenida a inyectar gas bajo alta o baja presión a la laguna o mediante medios más moderados tal como introducir gas debajo de la superficie de la laguna y permitir que las burbujas se eleven a la superficie. Una modalidad de un sistema de elevación de aire puede incluir un tubo con uno o una pluralidad de agujeros de frente hacia arriba, hacia abajo, a los lados o una combinación de estos, colocados debajo de la superficie de la laguna, introducir un gas al interior del tubo y permitir o forzar el aire a moverse hacia afuera a través de los agujeros. Otra modalidad utiliza una cámara en lugar de un tubo. En diferentes modalidades, el tubo o cámara se puede fijar en una posición en el fermentador o puede ser portátil y ser movido ya sea entre fermentaciones o durante una fermentación. Tal movimiento se puede realizar manual o automáticamente. Otras modalidades pueden anexar el tubo o cámara al fondo de la laguna, el lado de la laguna, la parte superior de la laguna o el suelo cerca de la laguna, ya sea directamente o con una estructura de soporte. En otra modalidad, la laguna de fermentación comprende un revestimiento reemplazable, en tanto que el revestimiento incluye agujeros de aireación y se introduce gas debajo del revestimiento y se le permite burbujear a través del cultivo en el otro lado de la pared del revestimiento. La forma de los agujeros usados para aireación puede ser redonda o cuadrada o cualquier otra forma apropiada. Pueden ser convergentes o divergentes, tener bordes agudos, tener bordes redondeados o ser de tamaño uniforme, ser de tamaños diferentes, ser perpendiculares a la pared del tubo o cámara o revestimiento o ser ajustados a un ángulo a una linea trazada perpendicular al tubo, cámara o revestimiento. En operación, diferentes organismos pueden ser cultivos en una variedad de medios diferentes en los bioreactores sujetos. Ejemplos de medios apropiados incluyen pero no están limitados a caldo de Luria, agua salobre, agua que tiene nutrientes agregados, escurrimiento lácteo, medios con salinidad menor o igual a 1%, medios con salinidad mayor de 1%, medios con salinidad mayor de 2%, medios con salinidad mayor de 3%, medios con salinidad mayor de 4% y combinaciones de los mismos. Las fuentes de nitrógeno pueden incluir nitratos, amoniaco, urea, nitritos, sales de amonio, hidróxido de amonio, nitrato de amonio, glutamato de monosodio, proteínas solubles, proteínas insolubles, proteínas hidrolizadas , productos secundarios animales, desperdicio lácteo, caseína, suero, caseína hidrolizada, suero hidrolizado, productos de soya, productos de soya hidrolizados, levadura, levadura hidrolizada, licor impregnado de maíz, agua impregnada de maíz, sólidos impregnados de maíz, granos destiladores, extracto de levadura, óxidos de nitrógeno, N20, u otras fuentes apropiadas. Las fuentes de carbono pueden incluir azúcares, monosacáridos , disacáridos, alcoholes de azúcar, grasas, ácidos grasos, fosfolipidos , alcoholes grasos, ásteres, oligosacáridos , polisacáridos , sacáridos mezclados, glicerol, dióxido de carbono, monóxido de carbono, almidón, almidón hidrolizado u otras fuentes apropiadas. Ingredientes de medios adicionales pueden incluir soluciones reguladoras del pH, minerales, factores de crecimiento, anti-espuma, ácidos, bases, antibióticos, surfactantes o materiales para inhibir el crecimiento de células indeseables. Los nutrientes pueden ser agregados al comienzo o algunos al comienzo y algunos durante el curso de la fermentación como una sola adición subsecuente, como una alimentación continua durante la fermentación, como dosificación múltiple de mismo o diferentes nutrientes durante el curso de la fermentación o como una combinación de estos métodos . El pH del cultivo puede ser controlado por medio del uso de una solución reguladora del pH o mediante adición de un ácido o base al comienzo o durante el curso de la fermentación. En algunos casos, se puede usar tanto un ácido como una base en diferentes zonas de la laguna o en la misma zona al mismo tiempo o diferentes tiempos con el fin de obtener un grado deseable de control sobre el pH . Ejemplos no limitantes de sistemas reguladores del pH incluyen fosfato, TRIS, TAPS, bicina, tricina, HEPES, TES, MOPS, PIPES, cacodilato, MES y acetato. Ejemplos no limitantes de ácidos incluyen ácido sulfúrico, HC1, ácido láctico y ácido acético. Ejemplos no limitantes de bases incluyen hidróxido de potasio, hidróxido de sodio, hidróxido de amonio, amoniaco, bicarbonato de sodio, hidróxido de calcio y carbonato de sodio. Algunos de estos ácidos y bases además de modificar el pH pueden también servir como nutriente para las células. El pH del cultivo puede ser controlado para aproximarse a un valor constante en todo el curso de la fermentación o puede ser cambiado durante la fermentación. Tales cambios pueden ser usados para iniciar o terminar diferente rutas moleculares, para forzar la producción de un producto particular, para forzar la acumulación de un producto tales como grasas, tintes o compuestos bioactivos, para suprimir el crecimiento de otros microorganismos, para suprimir o alentar la producción de espuma, para forzar las células en latencia, a revivir de la latencia o para algún otro propósito . Asimismo, la temperatura del cultivo puede en algunas modalidades ser controlada para aproximarse a un valor particular o puede ser cambiada durante el curso de la fermentación para el mismo o diferentes propósitos como los enlistados para los cambios de pH. En ciertas de tales modalidades, se proporciona un componente de control de temperatura que comprende un componente de medición de temperatura que mide la temperatura en el sistema, tal como la temperatura del medio y un componente de control que puede controlar la temperatura en respuesta a la medición. El componente de control puede comprender un serpentín sumergido o un encamisado en la pared lateral o del fondo del recipiente de cultivo . Una vez que el cultivo ha obtenido un grado suficiente de crecimiento, las células pueden ser cosechadas. La cosecha puede ocurrir directamente de la laguna o después de la transferencia de cultivo a un tanque de almacenamiento. Las etapas de cosecha pueden incluir las etapas de exterminio de las células o forzarlas a latencia, separar las células del global de los medios, secado de las células, lisis de la célula, separación de los componentes deseables y aislamiento del producto deseado. En algunas modalidades, no todas estas etapas se llevan a la práctica conjuntamente; varias modalidades pueden combinar varias etapas diferentes y puede también incluir etapas adicionales y/o combinaciones de varias funciones a una o varias etapas, de tal manera que algunas de las etapas pueden ser combinadas. Adicionalmente, las etapas realmente llevadas a la práctica se pueden llevar a la práctica en un orden diferente que el presentado en esta lista. El exterminio o latencia forzada de las células puede ser efectuado mediante una diversidad de medios dependiendo de las células y el producto deseado. Medios apropiados incluyen pero no están limitados a calentamiento, enfriamiento, adición de agentes químicos tales como ácido, base, hipoclorito de sodio, enzimas, azida de sodio o antibióticos. La separación de la masa celular de global del agua se puede llevar a cabo en una diversidad de maneras. Ejemplos no limitantes incluyen tamizado, centrifugación, filtración al vacío rotativa, filtración a presión, hidrociclonación, flotación, desnatado, tamizado y asentamiento por gravedad. Otras técnicas, tales como adición de agentes precipitantes, agentes floculantes o agentes coagulantes, pueden también ser usadas en conjunción con estas técnicas. En algunos casos, el producto deseado estará en una de las corrientes de un dispositivo de separación y en otros casos estará en la otra corriente. Dos o más etapas de separación pueden ser usadas. Cuando se usan múltiples etapas, pueden estar basadas en la misma o una técnica diferente. Ejemplos no limitantes incluyen tamizado del global del contenido del fermentador, seguido por filtración o centrifugación del efluente de la primera etapa. En algunos casos, será deseable secar el material celular antes del procesamiento adicional. Por ejemplo, el secado puede ser deseable cuando el procesamiento subsecuente ocurre en un sitio remoto o requiere volúmenes más grandes de material que los que son provistos por un solo lote de fermentación o si el material debe ser conducido por un conducto para obtener un procesamiento más efectivo en el costo o si la presencia de agua provocará dificultades de procesamiento tal como formación de emulsión o por otras razones no enlistadas en la presente. Sistemas de secado apropiado incluyen pero no están limitados a secado por aire, secado solar, secado en tambor, secado por atomización, secado en lecho fluidizado, secado en bandeja, secado rotativo, secado indirecto o secado directo. La lisis celular puede ser obtenida mecánica o químicamente. Ejemplos no limitantes de métodos mecánicos de lisis incluyen dispositivos de caída de presión, tal como el uso de una prensa French o un homogeneizador de caída de presión, molinos de coloides, molinos de perlas o bolas, mezcladores de alto esfuerzo cortante, choque térmico, tratamiento térmico, choque osmótico, sonificación, expulsión, prensado, molienda, prensado de expulsor y explosión de vapor. Ejemplos no limitantes de medios químicos incluyen el uso de enzimas, agentes oxidantes, solventes, surfactantes y agentes quelantes . Dependiendo de la naturaleza exacta de la técnica que es usada, la lisis se puede hacer en seco o un solvente, agua o vapor pueden estar presentes. Los solventes que pueden ser usados para la lisis o para ayudar en la lisis incluye pero no están limitados a hexano, heptano, fluidos supercríticos , solventes clorados, alcoholes, acetona, etanol, metanol, isopropanol, aldehidos, cetonas, solventes clorados, solventes fluorados-clorados y combinaciones de estos. Surfactantes ejemplares incluyen pero no están limitados a detergentes, ácidos grasos, glicéridos parciales, fosfolipidos , lisofosfolipidos , alcoholes, aldehidos, polisorbato, compuestos y combinaciones de estos. Fluidos supercriticos ejemplares incluyen dióxido de carbono, etano, etileno, propano, propileno, trifluorometano, clorotrifluorometano, amoniaco, agua, ciclohexano, n-pentano y tolueno. Los solventes de fluido supercriticos pueden también ser modificados mediante la inclusión de agua o alguno otro compuesto para modificar las propiedades de solvente del fluido. Enzimas apropiadas para la lisis química incluyen proteasas, celulasas, lipasas, fosfolipasas , lisozima, polisacarasas , y combinaciones de los mismos. Agentes quelantes apropiados incluyen, pero no están limitados a EDTA, porfina, DTPA, NTA, HEDTA, PDTA, EDDHA, glucoheptonato, iones de fosfato (varios protonados y sin protonar) , y combinaciones de los mismos. En algunos casos, se pueden usar combinaciones de métodos químicos y mecánicos. La separación de las células rotas de la porción que contiene producto o fase que contiene producto se puede llevar a cabo mediante varias técnicas. Ejemplos no limitantes incluyen centrifugación, hidrociclonación, filtración, flotación y asentamiento por gravedad. En algunas situaciones, sería deseable incluir un solvente o fluido supercrítico , por ejemplo, para solubilizar el producto deseado, reducir la interacción entre el producto y las células rotas, reducir la cantidad de producto restante con las células rotas después de la separación o proporcionar una etapa de lavado para reducir además pérdidas. Solvente apropiados incluyen, pero no están limitados a hexano, heptano, fluidos supercríticos , solventes clorados, alcoholes, acetona, etanol, metanol, isopropanol, aldehidos, cetonas y solventes fluorados-clorados . Fluidos supercríticos ejemplares incluyen dióxido de carbono, etano, etileno, propano, propileno, trifluorometano, clorotrifluorometano, amoníaco, agua, ciclohexano, n-pentano, tolueno y combinaciones de estos. Los solventes de fluido supercríticos pueden también ser modificados mediante la inclusión de agua o algún otro compuesto para modificar las propiedades de solvente del fluido. El producto así aislado puede luego ser procesado adicionalmente como sea apropiado para su uso deseado tal como mediante remoción de solvente, secado, filtración, centrifugación, modificación química, transesterificación, purificación adicionalmente o mediante alguna combinación de etapas . En la etapa de fermentador final, las lagunas de fermentación se pueden poner en operación en un modo por lotes, modo continuo o modo semicontinuo . Por ejemplo, en un modo por lotes, la laguna sería llenada a un nivel apropiado con medios nuevos y/o reciclados e inoculo. Luego se permitiría que esta fermentación se ponga en operación hasta que ha ocurrido el grado deseado de crecimiento. En este punto, puede ocurrir la cosecha del producto. En una modalidad, todo el contenido del fermentador sería cosechado, luego el fermentador sería limpiado e higienizado como sea necesario y rellenado con medios e inoculo. En otra modalidad, solamente una porción del contenido de fermentador sería cosechado, por ejemplo aproximadamente 50%, luego se agregaría medio para rellenar la laguna y la fermentación proseguiría. Alternativamente, la etapa de fermentador final se puede poner en operación en un modo continuo. En un modo continuo, medios nuevos y/o reciclados o medios nuevos y/o reciclados e inoculo nuevo son alimentados continuamente a la laguna en tanto que la cosecha del material celular ocurre continuamente. En la operación continua, puede haber una etapa de inicio en donde la cosecha es retardada para permitir que se acumule suficiente concentración de células. Durante esta fase de arranque o inicio, la alimentación de medios y/o alimentación de inoculo puede ser interrumpida. Alternativamente, medios e inoculo pueden ser agregados a la laguna y cuando la laguna llega al volumen de líquido deseado, comienza la cosecha. Otras técnicas de inicio o arranque pueden ser usadas como se desee para cumplir con los requerimientos operacionales y como sea apropiado para el organismo de producto y medio de crecimiento particular. En donde un cultivo es cultivado en un primer recipiente de fermentación, a aproximadamente 10-90% o 20-805 o 30-705 de cultivo puede ser transferido a una laguna de fermentación final, con el contenido residual que sirve como cultivo de partida para el cultivo subsecuente en el primer recipiente de fermentación. Un termentador de laguna continuo se puede poner en operación en un "modo agitado" o "modo de flujo tapón" o un "modo de combinación". En un modo agitado, los medios e inoculo son agregados y mezclados al volumen general de la laguna. Los dispositivos mezcladores incluyen pero no están limitados a rueda de paletas, propulsor, turbinas, paleta u operación de elevación de aire en dirección vertical, horizontal o combinada. En algunas embodiments, la mezcla puede ser obtenida o ayuda por la turbulencia creada al agregar los medios o inoculo. La concentración de células y componentes de medio no varia extensamente a través del área horizontal de la laguna. En un modo de flujo tapón, los medios e inoculo son agregados en un extremo de la laguna y la cosecha ocurre en el otro extremo. En el modo de flujo tapón, el cultivo se mueve en general desde la entrada de los medios hacia el punto de cosecha. El crecimiento celular ocurre a medida que el cultivo se mueve desde la entrada al sitio de cosecha. El movimiento del cultivo puede ser obtenido por medios en los que se incluyen pero no limitados a inclinar la laguna, dispositivos mezcladores, bombas, gas soplado a través de la superficie de la laguna y el movimiento asociado con la visión de material en un extremo de la laguna y remoción en el otro. Los componentes de medios pueden ser agregados en varios puntos en la laguna para proporcionar diferentes condiciones de crecimiento para diferentes fases de cultivo celular. Asimismo, la temperatura y pH de cultivo se pueden hacer variar en diferentes puntos de la laguna. Opcionalmente , se puede proporcionar retromezclado en varios puntos. El acto de mezcla se puede obtener por medio del uso de mezcladores, paletas, deflectores u otras técnicas apropiadas . En un modo de combinación, una porción de la laguna se pondrá en operación en un modo de flujo tapón y una porción se pondría en operación en un modo agitado. Por ejemplo, se pueden agregar medios en una zona agitada para crear un sistema de fermentación de "auto-siembra" o "auto-inoculación". Los medios con células de cultivo se moverían desde la zona agitada a una zona de flujo tapón en donde las células continuarían su crecimiento al punto de cosecha. Las zonas agitadas pueden ser colocadas al comienzo, en la parte media o hacia el final de la laguna dependiendo del efecto deseado. Además de crear una fermentación de auto-siembra, tales zonas agitadas pueden ser usadas para propósitos en los que se incluyen pero no limitados a proporcionar tiempo de residencia específico que expone a las células a condiciones o concentraciones especificas de reactivos o componentes de medios particulares. Tales zonas agitadas pueden ser obtenidas por medio del uso de deflectores, barreras, desviadores y/o dispositivos mezcladores. Un fermentador de laguna semi-continuo se puede poner en operación al cargar la laguna con una cantidad inicial de medios e inoculo. A medida que la fermentación se pone en operación, medios adicionales son agregados ya sea continuamente o a intervalos. Los métodos usados para limpiar, higienizar y esterilizar las lagunas incluyen, pero no están limitados a vapor de baja presión, detergentes, surfactantes, cloro, blanqueador, ozono, luz ultravioleta, peróxido y combinaciones de los mismos. En una modalidad, la laguna seria enjuagada con agua, lavada con detergente, enjuagada con agua, atomizada con una solución blanqueadora (hipoclorito de sodio) y luego llenada con medios e inoculo. En otras modalidades, la laguna puede ser llenada con solución de blanqueador y drenada, la solución de blanqueador puede ser neutralizada con un agente reductor tal como tiosulfato de sodio. En una modalidad, los diseños de laguna de la presente invención pueden ser usados para microorganismos que flotan, ya sea en todo su ciclo de crecimiento o solamente en puntos particulares en su ciclo de crecimiento ciclo. Por ejemplo, algunos microorganismos producen aceites, que al ser más ligeros que el agua, provocarán que la célula flote cuando están presentes en cantidad suficiente. Otros organismos pueden atrapar gases que provocan que el organismo flote. Tales microorganismos pueden ser recolectados de la superficie de la laguna, tal como mediante filtración al vacio rotativa, desnatado o flotación. En otra modalidad, una laguna de fermentación continua se pone en operación con células flotantes en donde las células son recolectadas de la superficie de la laguna. En una modalidad adicional, células flotantes fotosintéticas son recolectadas de la superficie en un punto de cosecha en tanto que las células continúan creciendo y consumen dióxido de carbono en cualquier parte en la laguna. En otras modalidades, los diseños de laguna de la presente invención pueden ser usados para el cultivo de microorganismos fotosintéticos que producen aceite. Estos microorganismos pueden ser recuperados de las lagunas y la biomasa usada directamente como combustible, ya sea seco o en estado húmedo. En otra modalidad, los microorganismos fotosintéticos productores de aceite pueden ser recolectados de las lagunas y el aceite puede ser liberado mediante expresión o expulsión, tal como con una prensa de expulsión, prensa de lote o prensa de filtros o el aceite puede ser extraído por solvente tal como con hexano, heptano, alcoholes u otros solventes o fluidos supercríticos como se describe en cualquier parte en esta descripción. Tal extracción puede ser combinada con lisis celular mecánica o química como se describe en cualquier parte en esta especificación. Muchas modificaciones y otras modalidades de la invención llegarán a la mente de aquel experimentado en el arte que tenga el beneficio de las enseñanzas presentadas en la descripción anterior y las figuras asociadas. Por consiguiente, se comprenderá que la invención no está limitada a las modalidades específicas reveladas, y que se pretende que modificaciones y modalidades alternativas sean incluidas en el alcance de las reivindicaciones soportadas por esta especificación.

Claims (16)

1. REIVINDICACIONES 1. Un sistema de fermentación de laguna caracterizado porque comprende: un área de producción de inoculo central y dos o más lagunas de fermentación finales asociada con el área de producción de inoculo central, en donde las lagunas de fermentación finales irradian hacia afuera desde el área de producción de inoculo central.
2. 2. El sistema de fermentación de laguna de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la laguna de fermentación final tienen forma de cuña.
3. 3. El sistema de fermentación de laguna de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque cada laguna de fermentación final comprende: una región de adición de medios próxima al área de producción de inocuo central; y una región de cosecha de biomasa próxima a un extremo distante de la laguna.
4. 4. Un sistema de fermentación de laguna caracterizado porque comprende: un recipiente impermeable al agua con paredes laterales fijas y fondo, la laguna comprende además una parte superior transmisora de luz, un medio apropiado para el crecimiento de microbios fotosintéticos dentro del recipiente, el medio en un volumen dentro del recipiente que define una profundidad de cultivo y un distribuidor de gas para introducir gas debajo de la superficie del medio, en donde el distribuidor de gas está configurado para permitir el crecimiento en fase logarítmica dentro del recipiente a una profundidad de cultivo por lo menos 5 veces mayor que la profundidad de cultivo que permite el crecimiento microbiano de fase logarítmica sin gas introducido.
5. 5. Un sistema de laguna de fermentación caracterizado porque comprende : por lo menos una laguna de fermentación; un revestimiento de plástico removible; y un monocultivo sustancialmente homogéneo de microorganismos .
6. 6. El sistema de laguna de fermentación de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el cultivo sustancialmente homogéneo de microorganismos contiene menos de aproximadamente 10% de microorganismos diferentes de aquellos de una especie de monocultivo.
7. 7. La laguna de fermentación de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el revestimiento de plástico removible comprende polietileno.
8. 8. La laguna de fermentación de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el revestimiento de plástico removible es menor de 0.508 cm (200 milésimas de pulgada) de espesor.
9. 9. Un sistema de fermentación de laguna caracterizado porque comprende: un área de producción de inoculo alargada y por lo menos dos lagunas de fermentación finales asociadas con el área de producción de inoculo, en donde las por lo menos dos lagunas de fermentación finales están localizadas todos a un lado del área de' producción de inoculo.
10. 10. Un sistema de fermentación de laguna caracterizado porque comprende: un área de producción de inoculo alargada y por lo menos dos lagunas de fermentación finales asociadas con el área de producción de inoculo, en donde las por lo menos dos lagunas de fermentación finales están ubicadas transversales a y sobre lados opuestos del área de producción de inoculo.
11. 11. El sistema de fermentación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el área de producción de inoculo comprende además un fotobioreactor .
12. 12. Un método para poner en operación un sistema de fermentación de laguna, caracterizado porque comprende: cultivar un cultivo de algas, microbios o levaduras en un primer recipiente de fermentación; transferir 10-90% del contenido del primer recipiente de fermentación a un termentador de laguna; rellenar el primer recipiente de termentador con medio de cultivo y usar el contenido residual de primer recipiente de termentador para inocular el primer cultivo de termentador.
13. 13. Un sistema de fermentación que comprende un compuesto de control de temperatura, el componente está caracterizado porque comprende: un componente de medición de temperatura configurado para medir la temperatura dentro del sistema; y un componente de control para controlar la temperatura en respuesta a la medición.
14. 14. El sistema de fermentación de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el componente de control comprende un serpentín sumergido.
15. 15. El sistema de fermentación de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el componente de control comprende un encamisado sobre por lo menos una pared lateral o pared del fondo de un recipiente de cultivo.
16. 16. Un método para cultivar un cultivo de un microorganismo, caracterizado porque comprende: proporcionar un sistema de fermentación de laguna que comprende por lo menos una laguna de fermentación en forma de cuña ; agregar medios aproximadamente de manera continua a la laguna en una vecindad del ángulo más agudo de la laguna en forma de cuña; y cosechar el microorganismo aproximadamente de manera continua en la vecindad del extremo de la laguna opuesto al ángulo .