BRPI1003908A2 - photobioreactor and kit for the cultivation of photosynthetic microorganisms, biomass production, sequestration and use of pollutant gases as nutritional source of photosynthetic microorganisms - Google Patents
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Abstract
FOTOBIORREATOR E KIT PARA CULTIVO DE MIROORGANISMOS FOTOSSINTÉTICOS, OBTENÇçO DE BIOMASSA, SEQUESTRO E UTILIZAÇçO DE GASES POLUENTES COMO PONTE NUTRICIONAL DE MICROORGANISMOS FOTOSSINTÉTICOS. A presente invenção está relacionada ao desenvolvimento de um fotobiorreator destinado a realizar processos biotecnológicos envolvendo microoganismos fotossintéticos, um Kit composto de um fotobiorreator e um sistema complementar e ao uso do Kit para cultivo de microorganismos, obtenção de biomassa e sequestro e utlização de gases poluentes como fonte nutricional de microorganismos fotossintéticos. O desenho do fotobiorretor e o seu arranjo são fatores determinantes na eficiência do sequestro de gases e a produção de biomassa, apresentando a presente invenção uma disposição que propicia aumento nos rendimentos do processo e redução dos custos operacionais e de fabricação e manutenção dos equipamentos.PHOTOBIORREATOR AND KIT FOR CROPPING PHOTO SYNTHESIS MICROORGANISMS, OBTAINING BIOMASS, SEQUESTRESS AND USE OF POLLUTANT GASES AS NUTRITIONAL BRIDGE OF PHOTOSYNTHETIC MICROORGANISMS. The present invention relates to the development of a photobioreactor for performing biotechnological processes involving photosynthetic microorganisms, a kit composed of a photobioreactor and a complementary system and the use of the kit for cultivation of microorganisms, obtaining biomass and sequestration and the use of polluting gases. nutritional source of photosynthetic microorganisms. The design of the photobiorector and its arrangement are determining factors in the efficiency of gas sequestration and the production of biomass. The present invention presents an arrangement that provides increased process yields and reduced operating costs and equipment manufacturing and maintenance.
Description
Relatório DescritivoDescriptive Report
FOTOBIORREATOR E KIT PARA CULTIVO DE MICROORGANISMOS FOTOSSINTÉTICOS, OBTENÇÃO DE BIOMASSA, SEQÜESTRO E UTILIZAÇÃO DE GASES POLUENTES COMO FONTE NUTRICIONAL DE MICROORGANISMOS FOTOSSINTÉTICOS.PHOTOBIORREATOR AND KIT FOR CROPPING PHOTO SYNTHESIS MICROORGANISMS, OBTAINING BIOMASS, SEQUENCING AND USE OF POLLUTANT GASES AS NUTRITIONAL SOURCE OF PHOTOSYNTHETIC MICROORGANISMS.
CAMPO DA INVENÇÃOFIELD OF INVENTION
A presente invenção diz respeito ao desenvolvimento de um fotobiorreator destinado a realizar processos biotecnológicos envolvendo microorganismos fotossintéticos. 0 segundo objeto da invenção está relacionado a um kit composto de um fotobiorreator e o sistema complementar que compreende um tanque, um filtro de biomassa, um "riser", tanques de armazenagem de gases e um separador de gases em excesso. Por fim, o terceiro objeto da invenção se refere ao uso do kit para processo de cultivo de microorganismos, obtenção de biomassa e seqüestro e utilização de gases poluentes como fonte nutricional de microorganismos fotossintéticos.The present invention relates to the development of a photobioreactor for performing biotechnological processes involving photosynthetic microorganisms. The second object of the invention relates to a kit composed of a photobioreactor and the complementary system comprising a tank, a biomass filter, a riser, gas storage tanks and an excess gas separator. Finally, the third object of the invention concerns the use of the microorganism cultivation process kit, biomass and sequestration and the use of polluting gases as a nutritional source for photosynthetic microorganisms.
ESTADO DA TÉCNICATECHNICAL STATE
Na conjuntura atual, o uso de combustíveis a base de petróleo é reconhecido como insustentável. Isso ocorre tanto pela instabilidade de seu preço, decorrente de inúmeros conflitos e disputas em vários de seus países produtores, quanto pelo esgotamento iminente das reservas naturais de petróleo e pela liberação de gás carbônico (CO2) na atmosfera. As crescentes industrialização e urbanização mundiais aumentam a demanda por energia e esta, em geral, provém da queima de combustíveis fósseis. Com isso, a emissão de poluentes atmosféricos, tais quais gás carbônico, óxidos de enxofre e óxidos de nitrogênio, vem crescendo consideravelmente. Esse aumento da poluição atmosférica é causa determinante do efeito estufa.At the current juncture, the use of petroleum fuels is recognized as unsustainable. This is due both to the instability of its price resulting from numerous conflicts and disputes in several of its producing countries, as well as to the imminent depletion of natural oil reserves and the release of carbon dioxide (CO2) into the atmosphere. Growing industrialization and urbanization worldwide increase the demand for energy, and energy generally comes from burning fossil fuels. Thus, the emission of atmospheric pollutants, such as carbon dioxide, sulfur oxides and nitrogen oxides, has been growing considerably. This increase in air pollution is a determining cause of the greenhouse effect.
É conhecido que o efeito estufa é uma das principaisIt is known that the greenhouse effect is one of the main
causas do aquecimento global por nós presenciado. Além disso, o gás carbônico é tido como o responsável pela maior parcela no agravamento do efeito estufa. Especula-se que, mantida a atual taxa de liberação de gases poluentes na atmosfera, a temperatura terrestre pode aumentar entre 1,5 0C e 4,5 0C até o fim do século. Esse aumento seria extremamente prejudicial para a biosfera terrestre, podendo causar extinção de variadas espécies, redução da produção agrícola, escasseamento da água potável, aumento da ocorrência de desastres naturais e dos níveis dos mares, podendo chegar a submergir cidades litorâneas e países inteiros.causes of global warming we have witnessed. In addition, carbon dioxide is considered to be the major contributor to the aggravation of the greenhouse effect. It is speculated that, given the current rate of release of pollutant gases into the atmosphere, the earth's temperature may rise between 1.5 ° C and 4.5 ° C until the end of the century. This increase would be extremely detrimental to the terrestrial biosphere and could cause extinction of various species, reduced agricultural production, shortage of drinking water, increased occurrence of natural disasters and sea levels, and may even submerge coastal cities and entire countries.
Quanto aos óxidos de nitrogênio, eles são alguns dos responsáveis pela depleção do ozônio (O3) na estratosfera terrestre (camada de ozônio). Além disso, o ácido nítrico, seu derivado, é um dos componentes que causam a chuva ácida (precipitação com elevada concentração de íons hidrogênio - H+) e, por conseqüência, tem efeitos adversos nas florestas, solo, rios e na biodiversidade (principalmente quanto aos insetos e à vida aquática), além de causar danos à saúde humana, a monumentos e construções.As for nitrogen oxides, they are responsible for ozone depletion (O3) in the terrestrial stratosphere (ozone layer). Moreover, nitric acid, its derivative, is one of the components that causes acid rain (precipitation with high concentration of hydrogen ions - H +) and, consequently, has adverse effects on forests, soil, rivers and biodiversity (mainly as insects and aquatic life) and damage human health, monuments and buildings.
Já os óxidos de enxofre, além de serem precursores reativos do ácido sulfúrico, também implicado na chuva ácida, são associados a diversas doenças respiratórias e seus sintomas.Sulfur oxides, in addition to being reactive precursors of sulfuric acid, also implicated in acid rain, are associated with various respiratory diseases and their symptoms.
Devido a todos esses riscos, diversas alternativas para reduzir os efeitos nocivos do uso desses combustíveis são, constantemente, pesquisadas. Uma destas alternativas é a substituição dos combustíveis fósseis pelos biocombustíveis (combustíveis renováveis). Estes podem ser obtidos através de reações químicas entre óleos e alcoóis, sendo esses óleos passíveis de provir de plantas oleaginosas, tais quais a soja, o milho e a palma. Porém, acredita-se que o cultivo dessas plantas com fins de produção de biocombustíveis competiria por grandes áreas de terra com a produção de alimentos para o mercado. Por outro lado, os biocombustíveis derivados de microorganismos fotossintéticos entram nessa conjuntura como soluções para esses problemas. Isso ocorre já que, além de capturar o gás carbônico e outros gases nocivos tais quais óxidos de nitrogênio (NOx) e óxidos de enxofre (SOx) da atmosfera, assim como podem o fazer outras plantas oleaginosas, necessitam de menor área de cultivo para uma mesma oferta de lipídeos, seus precursores. Além disso, seu cultivo pode ocorrer em ambientes hostis a outras culturas, tais como águas com alta concentração salina, eliminando a necessidade de uso de água doce destinada ao uso doméstico ou industrial, e em terrenos com baixas fertilidades, impróprios para o cultivo de alimentos.Because of all these risks, various alternatives to reduce the harmful effects of using these fuels are constantly being researched. One such alternative is the replacement of fossil fuels with biofuels (renewable fuels). These can be obtained through chemical reactions between oils and alcohols, and these oils are likely to come from oil plants such as soybeans, corn and palm. However, it is believed that the cultivation of these plants for biofuel production would compete for large areas of land to produce food for the market. On the other hand, biofuels derived from photosynthetic microorganisms come at this juncture as solutions to these problems. This is because, in addition to capturing carbon dioxide and other noxious gases such as nitrogen oxides (NOx) and sulfur oxides (SOx) from the atmosphere, as other oilseeds can do, they need less cultivation area for same supply of lipids, their precursors. In addition, cultivation can occur in environments hostile to other crops, such as high salt water, eliminating the need for freshwater use for domestic or industrial use, and on low-fertile land unfit for growing food. .
Os microorganismos fotossintéticos necessitam de energia solar para fazer a fotossíntese, processo metabólico no qual se utilizam do gás carbônico (carbono inorgânico) para produção de carbono orgânico e liberam gás oxigênio como produto da reação. Além disso, necessitam de fontes de enxofre, para produção de compostos sulfurados e de nitrogênio para síntese de proteínas e aminoácidos. Esses compostos podem ser introduzidos na cultura na forma dos gases provenientes da combustão de outros combustíveis (fósseis ou renováveis). A literatura técnica especializada apresenta alguns exemplos de fotobiorreatores e/ou biorreatores e/ou reatores, tanto com o intuito de produção de biomassa, quanto relacionados ao seqüestro de gases poluentes, derivados ou não da queima de combustíveis.Photosynthetic microorganisms need solar energy to make photosynthesis, a metabolic process in which they use carbon dioxide (inorganic carbon) to produce organic carbon and release oxygen gas as a reaction product. In addition, they require sulfur sources for the production of sulfur compounds and nitrogen for protein and amino acid synthesis. These compounds may be introduced into the culture as gases from the combustion of other fuels (fossil or renewable). The specialized technical literature presents some examples of photobioreactors and / or bioreactors and / or reactors, both for biomass production purposes and related to the sequestration of polluting gases, derived or not from the burning of fuels.
No pedido de patente WO 2009/069967, é descrito um fotobiorreator para cultura em larga escala de microalgas. Duas das deficiências da matéria descrita no documento supracitado são a impossibilidade de utilização de luz solar como fonte luminosa para o cultivo, acarretando em maiores custos e dispêndio de energia; e a impossibilidade de cultivo de outros microorganismos fotossintéticos exceto as microalgas no fotobiorreator descrito. Além disso, a montagem do reator seria dispendiosa e demorada por se utilizarem materiais não existentes comumente no mercado.In patent application WO 2009/069967, a photobioreactor for large scale microalgae culture is described. Two of the shortcomings of the subject matter described in the above document are the impossibility of using sunlight as a light source for cultivation, resulting in higher costs and energy expenditure; and the impossibility of cultivating other photosynthetic microorganisms except microalgae in the described photobioreactor. In addition, reactor assembly would be expensive and time consuming to use materials not commonly available on the market.
No pedido de patente WO 99/61577, é descrito um fotobiorreator fechado para cultura de microorganismos com o intuito de produzir alimentos, para humanos ou animais, e para usos farmacêuticos e/ou cosméticos. Esse fotobiorreator seria dependente de luz solar (incapacidade de utilização de luz artificial no processo). Além disso, nesse projeto, só ocorreria a filtração da cultura quando esta atingisse uma concentração pré-determinada de células, impedindo assim uma produção contínua de biomassa de microorganismos fotossintéticos.In patent application WO 99/61577, a closed photobioreactor for culturing microorganisms for the purpose of producing food, for humans or animals, and for pharmaceutical and / or cosmetic uses is described. This photobioreactor would be dependent on sunlight (inability to use artificial light in the process). Moreover, in this project, the culture filtration would only occur when it reached a predetermined concentration of cells, thus preventing a continuous biomass production of photosynthetic microorganisms.
No pedido de patente WO 2008/079724, é descrito um fotobiorreator para cultura de microalgas ou cianobactérias. Dois dos problemas encontrados nesse projeto são os fatos de que a regulação térmica ocorre ao banhar-se a câmara de cultivo em água de temperatura pré- determinada o que reduziria drasticamente a possibilidade de manuseio da aparelhagem e aumentaria o risco de contaminação do meio, caso haja uma ruptura da câmara; e o fato de que só pode ser utilizada como fonte luminosa a radiação solar, em detrimento de fontes de luz artificial (necessárias em locais com pouca luminosidade natural).In patent application WO 2008/079724, a photobioreactor for culturing microalgae or cyanobacteria is described. Two of the problems encountered in this project are the fact that thermal regulation occurs when bathing the cultivation chamber in water of predetermined temperature which would drastically reduce the possibility of handling the apparatus and increase the risk of contamination of the medium if there is a rupture of the chamber; and the fact that solar radiation can only be used as a light source to the detriment of artificial light sources (needed in places with low natural light).
Além disso, o uso de sistema de bombeamento para a circulação do meio pelo fotobiorreator pode ser estressante para a cultura, sendo preferível usar outros métodos, tal qual o "airlift" ("riser"), empregado na presente invenção, que além de fornecer a energia suficiente para a circulação do meio, ainda pode ser a fonte de nutrientes gasosos necessários para o crescimento dos microorganismos fotossintéticos.In addition, the use of a pumping system for photobioreactor circulation of the medium may be stressful to the crop, and it is preferable to use other methods such as the airlift employed in the present invention which in addition to providing sufficient energy for the circulation of the medium may still be the source of gaseous nutrients necessary for the growth of photosynthetic microorganisms.
Nos pedidos de patente brasileiros PI0702736-2 e PI0701842-8, são descritos fotobiorreatores tubulares (ligados em série ou não) para a remoção e/ou fixação de gases poluentes utilizando microalgas e/ou cianobactérias. Nesses documentos, são propostos, para aumento da escala sem aumento do número de fotobiorreatores em série, reatores tubulares de até 50 metros de altura; isso dificultaria extremamente o manuseio e reparo da aparelhagem. Além disso, não são propostas associações em paralelo de fotobiorreatores tubulares, o que seria uma solução para o aumento de escala com melhor aproveitamento de terreno.In Brazilian patent applications PI0702736-2 and PI0701842-8, tubular photobioreactors (serially or non-linked) for the removal and / or fixation of polluting gases using microalgae and / or cyanobacteria are described. These documents propose to increase the scale without increasing the number of photobioreactors in series, tubular reactors up to 50 meters high; This would make handling and repair of the appliance extremely difficult. In addition, no parallel associations of tubular photobioreactors are proposed, which would be a solution for scaling up with better terrain.
A presente invenção tem como características, soluçõesThe present invention has as features, solutions
para os problemas apontados, tais como alternativa quanto à fonte luminosa (artificial ou natural) e ao uso de microorganismos fotossintéticos na produção. Além disso, são propostas associações em paralelo e em série de células e estágios do fotobiorreator para melhor aproveitamento do espaço reservado para a produção. SUMÁRIO DA INVENÇÃOto the problems pointed out, such as alternative light source (artificial or natural) and the use of photosynthetic microorganisms in production. In addition, parallel and series associations of photobioreactor cells and stages are proposed to make better use of the production space. SUMMARY OF THE INVENTION
A presente invenção está relacionada a um fotobiorreator destinado a realizar processos biotecnológicos envolvendo microorganismos fotossintéticos.The present invention relates to a photobioreactor for performing biotechnological processes involving photosynthetic microorganisms.
0 segundo objeto da invenção está relacionado a um kit composto de um fotobiorreator e um sistema complementar que compreende um tanque, um filtro de biomassa, um "riser", tanques de armazenagem de gases e um separador de gases em excesso.The second object of the invention relates to a kit composed of a photobioreactor and a complementary system comprising a tank, a biomass filter, a riser, gas storage tanks and an excess gas separator.
Por fim, o terceiro objeto da invenção se refere ao uso do kit para cultivo de microorganismos fotossintéticos, obtenção de biomassa para posterior produção de biocombustíveis por meio do cultivo dos microorganismos fotossintéticos e seqüestro e utilização de gases poluentes como fonte nutricional de microorganismos fotossintéticos.Finally, the third object of the invention concerns the use of the kit for the cultivation of photosynthetic microorganisms, the obtaining of biomass for later biofuel production through the cultivation of photosynthetic microorganisms and sequestration, and the use of polluting gases as a nutritional source for photosynthetic microorganisms.
As aplicações e processos biotecnológicos envolvendo microorganismos fotossintéticos, o fotobiorreator e o kit da presente invenção, aqui citados, são modalidades preferenciais e não devem ser interpretados como limitações da matéria da presente invenção.Biotechnological applications and processes involving photosynthetic microorganisms, the photobioreactor and kit of the present invention, cited herein, are preferred embodiments and should not be construed as limitations on the subject matter of the present invention.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
As Figuras IA e IB apresentam uma visão esquemáticaFigures IA and IB show a schematic view.
superior e outra em perspectiva de uma modalidade preferida de célula do fotobiorreator da presente invenção, respectivamente.and another perspective view of a preferred embodiment of the photobioreactor cell of the present invention, respectively.
As Figuras 2A, 2B e 2C apresentam vistas esquemáticas superiores de uma modalidade preferida de módulos de entrada, intermediários e de saída, respectivamente. A Figura 3 apresenta uma representação esquemática dos equipamentos de cultivo da presente invenção.Figures 2A, 2B and 2C show top schematic views of a preferred embodiment of input, intermediate and output modules, respectively. Figure 3 shows a schematic representation of the cultivation equipment of the present invention.
A Figura 4 apresenta uma vista esquemática superior de uma modalidade preferencial de associar as células do fotobiorreator em forma de quadrado.Figure 4 shows a schematic top view of a preferred embodiment of associating square-shaped photobioreactor cells.
As Figuras 5A e 5B apresentam vistas esquemáticas superiores de outra modalidade preferida de associação das células do fotobiorreator. Dessa forma, associam-se as células em módulos (de entrada, intermediários e de saída) e estes são associados em série para formar o fotobiorreator.Figures 5A and 5B show schematic top views of another preferred embodiment of photobioreactor cell association. Thus, cells are associated in modules (input, intermediate and output) and they are associated in series to form the photobioreactor.
As Figuras IA, 1B, 2A, 2B, 2C, 3, 4, 5A e 5B são meramente modalidades preferidas da presente invenção, não devendo ser interpretadas como limitantes da mesma.Figures 1A, 1B, 2A, 2B, 2C, 3, 4, 5A and 5B are merely preferred embodiments of the present invention and are not to be construed as limiting thereof.
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DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃODETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A presente invenção está relacionada a um fotobiorreator destinado a realizar processos biotecnológicos envolvendo microorganismos fotossintéticos. Esses processos podem ter como funcionalidade promover o crescimento de microorganismos fotossintéticos.The present invention relates to a photobioreactor for performing biotechnological processes involving photosynthetic microorganisms. These processes may have as functionality to promote the growth of photosynthetic microorganisms.
Para melhor compreensão do processo de cultivo dos microorganismos fotossintéticos e sua descrição detalhada, serão expostas, anteriormente, algumas definições.For a better understanding of the process of cultivation of photosynthetic microorganisms and their detailed description, some definitions will be given above.
Define-se célula de cultivo da modalidade preferida como o conjunto de quatro colunas de cultivo e quatro feixes de tubos ligando-as como arestas de um quadrilátero, no qual as colunas são os vértices. Esses feixes podem ter um número de tubos variando de um a um máximo permitido pelo espaço disponível e pela altura máxima das colunas (determinada por um técnico no assunto a fim de haver facilidade na manutenção do equipamento). Uma representação da vista superior de uma célula dessa modalidade pode ser vista na Figura IA. Já a Figura IB apresenta a vista em perspectiva dessa célula de cultivo. Além disso, definem-se como coluna de entrada a 101; as colunas 102.1 e 102.2 como intermediárias e a 103 como coluna de saída. Quando interligada com outras, a célula pode receber fluxo de cultivo em qualquer uma das colunas. Portanto, a vista em perspectiva poderá ter feixes de tubos em todas as faces das colunas da célula. Esses feixes de tubos podem ter qualquer quantidade de tubos transparentes, não se limitando a sete, tal qual mostrado na Figura IB. Além disso, nem todos os feixes necessitam ter o mesmo número de tubos, sendo isso ajustado de acordo com o dimensionamento de todo o sistema por um técnico no assunto. Apesar de haver essa modalidade preferencial, a célula pode ter diferentes formas geométricas e o número de feixes de tubos varia com a determinação dessa forma.Culture cell of the preferred embodiment is defined as the set of four culture columns and four tube bundles connecting them as edges of a quadrilateral, where the columns are the vertices. These beams may have a number of tubes ranging from one to the maximum allowed by the available space and maximum column height (determined by a person skilled in the art for ease of equipment maintenance). A top view representation of a cell of this embodiment can be seen in Figure 1A. Figure IB, on the other hand, presents the perspective view of this cultivation cell. In addition, they are defined as input column at 101; columns 102.1 and 102.2 as intermediates and 103 as the output column. When interconnected with others, the cell can receive crop flow in either column. Therefore, the perspective view may have tube bundles on all faces of the cell columns. Such tube bundles may have any number of transparent tubes, not limited to seven, as shown in Figure IB. In addition, not all bundles need to have the same number of tubes, which is adjusted according to the size of the entire system by one of ordinary skill in the art. Although there is this preferred embodiment, the cell may have different geometric shapes and the number of tube bundles varies with the determination of this shape.
Define-se, também, como módulo de entrada o conjunto de colunas e feixes, cuja vista esquemática superior está demonstrada na Figura 2A. Esse conjunto representa três células, uma das quais recebe o fluxo de cultivo de um equipamento externo ao fotobiorreator. As outras duas são abastecidas do meio de cultivo pela primeira célula, com a qual compartilham duas colunas e um feixe de tubos cada.Also defined as input module is the set of columns and beams, whose top schematic view is shown in Figure 2A. This set represents three cells, one of which receives the culture flow from equipment external to the photobioreactor. The other two are supplied from the culture medium by the first cell, with which they share two columns and a bundle of tubes each.
Define-se, também, como módulo intermediário o conjunto de colunas e feixes, cuja vista esquemática superior está demonstrada na Figura 2B. Esse conjunto representa quatro células. Pode-se notar que este módulo é simétrico, por isso, será descrita apenas uma das metades, sendo tudo o que for dito para esta, será válido para a outra. Ambas as metades do módulo intermediário compartilhara duas colunas e um feixe de tubos com o módulo de entrada ou com um módulo intermediário anterior.An intermediate module is also defined as the set of columns and beams, whose top schematic view is shown in Figure 2B. This set represents four cells. It can be noted that this module is symmetrical, so only one of the halves will be described, and everything said for this one will be valid for the other. Both halves of the intermediate module had shared two columns and a bundle of tubes with the input module or a previous intermediate module.
Define-se, também, como módulo de saída o conjunto de colunas e feixes, cuja vista superior está demonstrada na Figura 2C. Esse conjunto representa apenas uma célula. Este módulo compartilha três colunas e dois feixes de tubos com o módulo intermediário imediatamente anterior a ele ou com o módulo de entrada no caso de ausência de módulos intermediários. Além disso, sua última coluna, a que é abastecida de meio de cultivo pelas duas outras colunas e não é compartilhada, se conecta a outro equipamento, externo ao fotobiorreator, a fim de continuar o ciclo de cultivo.The output module is also defined as the set of columns and beams, whose top view is shown in Figure 2C. This set represents only one cell. This module shares three columns and two tube bundles with the intermediate module immediately preceding it or with the input module in the absence of intermediate modules. In addition, its last column, which is supplied with culture medium by the other two columns and is not shared, connects to other equipment, external to the photobioreactor, in order to continue the cultivation cycle.
Define-se, como sistema complementar o conjunto composto pelo tanque, filtro, "riser", cilindro e separador, além dos tubos e conexões que os ligam.Complementary system is defined as the tank, filter, riser, cylinder and separator assembly, as well as the pipes and connections that connect them.
O fotobiorreator apresentado na Figura 3 (301, 301.1, 302, 302.1, 303, 303.1, 304, 304.1, 305, 305.1 e 306) está sendo representado como num corte lateral (com colunas sobrepostas) . Além disso, este fotobiorreator pode possuir número de células ou módulos em série variando de um ao máximo permitido, tendo em vista o espaço disponível para a cultura; portanto, a representação de seis células ou módulos em série como na figura supracitada tem como mero objetivo a visualização do projeto, não sendo fator limitante ao mesmo. Os feixes podem ter um número de tubos variando de um a um máximo permitido pelo espaço disponível e pela altura máxima das colunas (determinada por um técnico no assunto a fim de haver facilidade na manutenção do equipamento) . Os tubos que compõem esse feixe podem ter a seção reta circular para maior facilidade na sua compra e manuseio. O fotobiorreator pode ser definido como uma associação em série e/ou em paralelo dos módulos descritos anteriormente ou de células de cultivo avulsas. 0 reator pode ter diversos arranjos das células e/ou módulos, sendo preferenciais as disposições em quadrado e em corredor.The photobioreactor shown in Figure 3 (301, 301.1, 302, 302.1, 303, 303.1, 304, 304.1, 305, 305.1 and 306) is being shown as a side section (with overlapping columns). In addition, this photobioreactor may have a number of cells or modules in series ranging from one to the maximum allowed, given the available space for culture; Therefore, the representation of six cells or modules in series as in the figure above has as its objective the visualization of the project, not being a limiting factor to it. The beams may have a number of tubes ranging from one to the maximum allowed by the available space and the maximum column height (determined by one of ordinary skill in the art for ease of equipment maintenance). The tubes that make up this beam can have a straight circular section for ease of purchase and handling. The photobioreactor can be defined as a series and / or parallel association of the above described modules or single cultured cells. The reactor may have various cell arrangements and / or modules, with square and corridor arrangements being preferred.
Na disposição em quadrado, exposta na Figura 4, "n2" células são arranjadas de modo a formar um quadrado cujo lado contenha "n" células, sendo "n" um número que pode variar de um até o máximo permitido pelo espaço disponível para o cultivo. Nessa arrumação, a coluna de entrada do meio é uma das colunas que se encontram nos vértices do quadrado. Nessa disposição, o espaço disponível é bem aproveitado e todos os caminhos que o cultivo pode percorrer pelos tubos têm o mesmo comprimento, sendo essa uma de suas principais qualidades. Dessa maneira, um técnico no assunto pode estipular os diâmetros dos tubos, a fim de que o tempo de residência do cultivo no fotobiorreator seja constante e o caminho tomado por essa fração do meio seja irrelevante nessa determinação. Outra vantagem dessa arrumação é o fato de que também podem ser determinadas as alturas de líquido nas colunas do reator, podendo ser definidas colunas nas quais a pressão seja igual (linhas de pressão); no caso, preferencialmente, essas linhas poderiam ser paralelas à diagonal que não liga as colunas de entrada e saída.In the square arrangement, shown in Figure 4, "n2" cells are arranged to form a square whose side contains "n" cells, with "n" being a number that can vary from one to the maximum allowed by the space available for the space. cultivation. In this arrangement, the middle entry column is one of the columns at the vertices of the square. In this arrangement, the available space is well used and all the paths that the cultivation can go through the tubes have the same length, being one of its main qualities. Thus, a person skilled in the art can stipulate the tube diameters so that the residence time of the culture in the photobioreactor is constant and the path taken by this fraction of the medium is irrelevant in this determination. Another advantage of this arrangement is that the heights of liquid in the reactor columns can also be determined, and columns in which the pressure is equal (pressure lines) can be defined; preferably, these lines could be parallel to the diagonal that does not connect the input and output columns.
Na disposição em corredor, exposta na Figura 5A e na Figura 5B, as células são arranjadas em módulos (de entrada, intermediários e de saída) e estes, em série, formam o corredor da nomenclatura. Uma das vantagens dessa disposição é que, quando todos os tubos do reator têm o mesmo diâmetro e são do mesmo material, todos os caminhos possíveis para o cultivo percorrer têm o mesmo comprimento. Com isso, todos os tubos têm a mesma vazão de fluido, logo o tempo de residência no reator independe do caminho tomado pela fração de fluido. Além disso, nessa arrumação verifica-se a existência das linhas de pressão; elas são definidas pela união de duas colunas extremas equidistantes da coluna de entrada. Na Figura 5B, uma representação da arrumação em corredor com os módulos separados entre si, fica evidenciado que essa disposição consiste da arrumação em série de um módulo de entrada, "n" módulos intermediários e um módulo de saída. Esse número "n" é determinado, mais uma vez, pela disponibilidade de espaço para cultivo, podendo variar de zero ao máximo possível no espaço determinado.In the corridor arrangement, shown in Figure 5A and Figure 5B, the cells are arranged in modules (input, intermediate and output) and these, in series, form the nomenclature corridor. One of the advantages of this arrangement is that when all reactor tubes have the same diameter and are of the same material, all possible paths for cultivation to travel have the same length. As a result, all tubes have the same fluid flow, so the residence time in the reactor is independent of the path taken by the fluid fraction. Moreover, in this arrangement there is the existence of pressure lines; they are defined by joining two equidistant extreme columns of the input column. In Figure 5B, a representation of the aisle storage with the modules separated from each other, it is shown that this arrangement consists of the serial storage of an input module, "n" intermediate modules and an output module. This number "n" is determined, once again, by the availability of space for cultivation and may vary from zero to the maximum possible in the given space.
Para melhor aproveitamento do espaço disponível, podem ser associados em paralelo diversos corredores como os acima descritos, de tal maneira que os módulos de entrada de todos os corredores fiquem sobre as mesmas linhas de pressão, assim como os módulos de saída. Além disso, as colunas extremas de dois corredores adjacentes podem ou não ser compartilhadas por eles. Adicionalmente, pode haver desde diversos sistemas complementares (um para cada corredor) até apenas um (abastecendo toda a rede do fotobiorreator), assim como qualquer outro valor dentro desse intervalo. As células podem também ter um formato de losango, com maior comprimento ou largura, dependendo do comprimento e da largura do espaço disponível para o cultivo e do interesse em ter maior ou menor numero de módulos no fotobiorreator.For optimal use of available space, several aisles such as those described above can be associated in parallel so that the input modules of all aisles are on the same pressure lines as the output modules. In addition, the extreme columns of two adjacent corridors may or may not be shared by them. Additionally, there can be from several complementary systems (one for each corridor) to just one (supplying the entire photobioreactor network), as well as any other value within that range. The cells may also have a longer or wider diamond shape, depending on the length and width of the space available for cultivation and the interest in having more or fewer modules in the photobioreactor.
A disposição da célula como quadrilátero é preferencial num fotobiorreator, apesar disso, diversas outras formas são possíveis, tais como circular, triangular, pentagonal, hexagonal, dentre outras. A escolha pelo quadrilátero ocorre porque esta forma facilitaria a obtenção e reduziria o custo para manufatura. Além disso, as disposições explicitadas nesse documento são favorecidas pela célula quadrangular.The arrangement of the cell as a quadrilateral is preferred in a photobioreactor, however, several other shapes are possible, such as circular, triangular, pentagonal, hexagonal, among others. The choice for the quadrilateral occurs because this form would facilitate the obtaining and would reduce the cost to manufacture. In addition, the provisions set out in this document are favored by the quadrangular cell.
Todas as considerações referentes às células feitasAll considerations regarding cells made
acima são válidas para a forma da seção reta da coluna.above are valid for the shape of the straight section of the column.
Outra arrumação possível é o fotobiorreator de apenas uma célula. Essa disposição seria desfavorecida pelo grande uso de espaço com menor produtividade, porém favorecida pela sua simplicidade e menor custo relativo.Another possible arrangement is the single cell photobioreactor. This arrangement would be disadvantaged by the large use of space with lower productivity, but favored by its simplicity and lower relative cost.
Em todos os arranjos, os tubos e as colunas que são ligadas por eles em cada célula devem ser transparentes (para incidência de luz, solar ou artificial), rígidos, resistirem a 1 bar de pressão e a temperaturas de 50C a 42 °C, terem alta resistência ao sol e intempéries, não sofrerem corrosão por água salina e íons que poderiam ser usados como nutrientes dos microorganismos de interesse e não serem tóxicos à população microbiana nem suscetíveis a desgaste em virtude de contato com essa. Além disso, devem possuir rugosidade nula ou baixa, não permitirem aderência dos microorganismos, serem leves e de fácil manuseio, não apresentarem excessivo coeficiente de dilatação térmica, nem custo proibitivo para utilização em larga escala, não absorverem radiação infravermelho ou na faixa do vermelho nem radiação ultravioleta. Levando em conta essas considerações, o material que compõe esses equipamentos pode ser polimérico, tendo como preferência policarbonatos, ou de vidro, preferencialmente vidro borossilicato. Adicionalmente, seus diâmetros e larguras não podem ser excessivos para que seja evitado (ou diminuído) o efeito de sombreamento da cultura pela alta concentração celular do meio. O fotobiorreator pode operar tanto com iluminação solar direta quanto com artificial. Esse fator pode ser ajustado de acordo com as características climáticas do local de implantação do mesmo. No caso da iluminação artificial, esta preferencialmente deve ser feita de maneira uniforme em relação aos feixes de tubos da célula. Para aumentar a exposição da cultura à iluminação (tanto solar quanto artificial), as colunas do fotobiorreator podem ser inclinadas em relação ao solo. 0 controle de temperatura do fotobiorreator tambémIn all arrangements, the tubes and columns connected by them in each cell must be transparent (for light, sunlight or artificial), rigid, withstand 1 bar pressure and temperatures from 50 ° C to 42 ° C, have high resistance to the sun and weather, not to be corroded by saline water and ions that could be used as nutrients of microorganisms of interest and not toxic to the microbial population or susceptible to wear due to contact with it. In addition, they must have zero or low roughness, do not allow microorganisms to adhere, be light and easy to handle, do not have excessive coefficient of thermal expansion, are not prohibitive for large-scale use, do not absorb infrared or red band radiation or ultraviolet radiation. In view of these considerations, the material composing such equipment may be polymeric, preferably polycarbonates, or glass, preferably borosilicate glass. Additionally, their diameters and widths cannot be excessive to avoid (or diminish) the shading effect of the culture by the high cellular concentration of the medium. The photobioreactor can operate with both direct and artificial sunlight. This factor can be adjusted according to the climatic characteristics of the implantation site. In the case of artificial lighting, it should preferably be made uniformly with respect to the tube bundles of the cell. To increase crop exposure to lighting (both solar and artificial), the photobioreactor columns can be tilted to the ground. 0 photobioreactor temperature control also
deve ser feito de acordo com as condições climáticas do local de implantação do projeto e com as condições favoráveis ao crescimento e à produção dos subprodutos desejados pela espécie de interesse. Quando da implantação do projeto em condições climáticas extremas, pode ser recomendado o cultivo em local fechado com controle de temperatura, podendo este ocorrer tanto com luz solar ou artificial.It must be done in accordance with the climatic conditions of the project site and the conditions favorable to the growth and production of the desired byproducts of the species of interest. When the project is implemented under extreme weather conditions, indoor cultivation with temperature control may be recommended, either under sunlight or artificial light.
Muitas outras formas de célula e disposições de fotobiorreator são possíveis, sendo, portanto, as expostas anteriormente meramente preferenciais da presente invenção, não devendo ser interpretadas como limitantes da mesma.Many other cell forms and photobioreactor arrangements are possible, and the foregoing are purely preferred herein and should not be construed as limiting thereof.
0 segundo objeto da invenção está relacionado a um kit composto de um fotobiorreator e o sistema complementar que compreende, em seqüência, formando um ciclo, um tanque de estocagem de meio de cultivo, um filtro de biomassa, um "riser", tanques de armazenagem de gases necessários ao crescimento da cultura e um separador de gases em excesso.The second object of the invention relates to a kit composed of a photobioreactor and the complementary system comprising sequentially forming a cycle, a culture medium storage tank, a biomass filter, a riser, storage tanks. gases needed for crop growth and an excess gas separator.
A Figura 3 mostra uma representação esquemática simples dos equipamentos envolvidos no processo de cultivo dos organismos fotossintéticos. A presente invenção é composta de um fotobiorreator de colunas (301, 301.1, 302, 302.1, 303, 303.1, 304, 304.1, 305, 305.1 e 306), um tanqueFigure 3 shows a simple schematic representation of the equipment involved in the cultivation process of photosynthetic organisms. The present invention is composed of a column photobioreactor (301, 301.1, 302, 302.1, 303, 303.1, 304, 304.1, 305, 305.1 and 306), a tank
(307), um filtro de biomassa de organismos fotossintéticos(307), a biomass filter of photosynthetic organisms
(308), um "riser" e tanques de armazenagem de gases necessários ao crescimento da cultura (3 09.1, 3 09.2, 309.3(308), a riser and gas storage tanks required for crop growth (3 09.1, 3 09.2, 309.3
e 3 09.4) e um separador de gases em excesso (310).and 3 09.4) and an excess gas separator (310).
Inicialmente, o equipamento é abastecido com um meio de cultivo com certa concentração de células e os nutrientes necessários. No fotobiorreator, esse meio entra em contato com uma fonte luminosa (natural ou artificial) . Essa iluminação é necessária para o crescimento da cultura, já que os organismos de interesse são fotossintéticos. Em grande parte do tempo, o meio se encontra no fotobiorreator, devido ao seu maior volume e à taxa constante de circulação do sistema. Isso ocorre, pois é no reator que a cultura tem contato com a iluminação e pode crescer através da reprodução de suas células. Em função da espécie de interesse, da quantidade de nutrientes, da iluminação disponível, da temperatura, do pH e do tempo decorrido entre o nascer do sol e o seu ocaso (no caso de iluminação natural), um técnico no assunto pode estipular o tempo de residência das células no fotobiorreator e, em conseqüência, a vazão desejada do sistema. É interessante que essa vazão não seja alta, para que a velocidade do meio nos tubos não cause estresse ao cultivo, devido à fricção com as paredes do fotobiorreator.Initially, the equipment is supplied with a culture medium with a certain concentration of cells and the necessary nutrients. In the photobioreactor, this medium comes into contact with a light source (natural or artificial). This illumination is necessary for the growth of culture, as the organisms of interest are photosynthetic. Most of the time, the medium is in the photobioreactor, due to its larger volume and the constant circulation rate of the system. This is because it is in the reactor that the culture has contact with lighting and can grow by reproducing its cells. Depending on the species of interest, the amount of nutrients, the available lighting, the temperature, the pH and the time between sunrise and sunset (in the case of natural lighting), a person skilled in the art may stipulate the time. of residence of the cells in the photobioreactor and, as a result, the desired flow of the system. It is interesting that this flow rate is not high, so that the medium velocity in the tubes does not cause stress to the cultivation due to the friction with the photobioreactor walls.
Ao sair do fotobiorreator, o cultivo segue para um tanque de armazenamento (307), no qual podem ser medidas a temperatura do cultivo, o pH, concentrações de nutrientes, dentre outras variáveis do processo. Esse tanque, que pode ou não ser agitado, serve também para que possam ser adicionados ao meio os nutrientes necessários para a perpetuação do cultivo, tais quais vitaminas, sais e metais. Preferencialmente, a existência desse tanque numa altura próxima ao fotobiorreator auxilia no retorno do cultivo ao reator após o fim do circuito a ser percorrido pelo meio, pelo seu "head" hidrodinâmico.When leaving the photobioreactor, the culture goes to a storage tank (307), in which the culture temperature, pH, nutrient concentrations, among other process variables can be measured. This tank, which may or may not be shaken, also serves to add nutrients necessary for the perpetuation of the crop, such as vitamins, salts and metals. Preferably, the existence of such a tank at a height close to the photobioreactor assists in the return of the crop to the reactor after the end of the circuit to be traversed by its hydrodynamic head.
Na seqüência, o cultivo segue para um filtro (308) queFollowing, the cultivation goes to a filter (308) that
irá retirar parte da biomassa presente no meio. A retirada de parte da biomassa tem como objetivo manter o funcionamento do ciclo sem que haja excesso de sombreamento, derivado das altas concentrações celulares, no fotobiorreator, além de permitir o desenvolvimento de células jovens e mais produtivas. A biomassa retirada do sistema pode ter aplicações diversas, tais quais uso em cosméticos e medicamentos, como fonte nutricional humana ou animal e na produção de biocombustíveis. No processo em questão, nem todo o meio de cultivo passa pelo filtro: isso apenas ocorre com parte dele, a fim de que uma concentração celular mínima seja mantida sempre na coluna de entrada do fotobiorreator. A determinação da fração de meio que deverá ser filtrada ocorrerá mediante análises do crescimento da espécie de interesse durante a residência no fotobiorreator sob as condições existentes, a fim de que a meta estipulada de concentração inicial mínima de residência no reator seja obedecida. A fração do meio que não passa pelo filtro é separada e segue por um "bypass". Após essa passagem pelo filtro, o cultivo sobe por umawill remove part of the biomass present in the medium. The removal of part of the biomass aims to maintain the functioning of the cycle without excess shading, derived from the high cell concentrations in the photobioreactor, in addition to allowing the development of young and more productive cells. Biomass taken from the system can have diverse applications, such as use in cosmetics and medicines, as a human or animal nutritional source and in the production of biofuels. In the process in question, not all the culture medium passes through the filter: this only happens with part of it, so that a minimum cell concentration is always maintained in the photobioreactor input column. The determination of the fraction of medium to be filtered will occur by analyzing the growth of the species of interest during residence in the photobioreactor under the existing conditions, so that the stipulated target of minimum initial concentration of residence in the reactor is met. The fraction of the medium that does not pass the filter is separated and followed by a bypass. After this filtering, the cultivation rises for a
coluna, em parte ajudado pelo "riser" (309.1, 309.2, 309.3 e 3 09.4). 0 número de tanques de armazenamento pode variar de acordo com as necessidades do microorganismo de interesse, não sendo necessariamente igual a quatro, como desenhado na Figura 3. Uma primeira função do "riser" é o auxílio na ascensão do meio de cultivo para o topo da coluna de entrada do módulo de entrada do fotobiorreator. Outra função é a renovação do gás carbônico e dos óxidos de nitrogênio e enxofre (NOx e SOx, respectivamente) do meio. A mistura de gases utilizada para esse processo pode ser manipulada a fim de realizar a fotossíntese e de prover as exigências nutricionais dos organismos do meio de cultivo. Além disso, o "riser" tem vantagens frente à bomba hidráulica, já que oferece menor estresse ao fluido, diminuindo o risco de rompimento das células e conseqüente perda da capacidade reprodutiva do meio de cultivo. 0 "riser" pode funcionar tanto contínua quanto descontinuamente, dependendo da escolha da vazão de fluido desejada no processo e da velocidade de reprodução celular desejada.column, partly aided by the riser (309.1, 309.2, 309.3 and 3 09.4). The number of storage tanks may vary according to the needs of the microorganism of interest, not necessarily equal to four, as shown in Figure 3. A first function of the riser is to assist in raising the culture medium to the top. input column of the photobioreactor input module. Another function is the renewal of carbon dioxide and the nitrogen and sulfur oxides (NOx and SOx, respectively) of the medium. The gas mixture used for this process can be manipulated in order to perform photosynthesis and to provide the nutritional requirements of the culture medium organisms. In addition, the riser has advantages over the hydraulic pump as it offers less stress to the fluid, reducing the risk of cell disruption and consequent loss of reproductive capacity of the culture medium. The riser can function both continuously and discontinuously, depending on the choice of desired fluid flow rate in the process and the desired cellular reproduction rate.
Após a ascensão proporcionada pelo "riser", o fluido passa para um separador de gases (310). Nesse separador, o fluido é mantido por certo tempo em condições razoavelmente estáveis, com ou sem agitação, a fim de que possa separar- se do gás em excesso, solubilizado ou não. Essa etapa tem como intuito impedir a inibição do crescimento fotossintético dos organismos pelo excesso de gás oxigênio e de outros gases no meio. Além disso, serve como estágio de preparação para a entrada do fluido no fotobiorreator. Os gases purgados nesse estágio podem se armazenados num tanque e tratados para liberação no ambiente ou reciclados ao processo.After rising from the riser, the fluid passes to a gas separator (310). In this separator, the fluid is kept for a time under reasonably stable conditions, with or without agitation, so that it can separate from excess gas, whether solubilized or not. This step aims to prevent the inhibition of photosynthetic growth of organisms by the excess of oxygen gas and other gases in the environment. In addition, it serves as a preparation stage for fluid entry into the photobioreactor. Purged gases at this stage can be stored in a tank and treated for release into the environment or recycled to the process.
Por fim, o terceiro objeto da invenção se refere ao uso do kit para processo de cultivo de microorganismos, obtenção de biomassa e seqüestro e utilização de gases poluentes como fonte nutricional de microorganismos fotossintéticos.Finally, the third object of the invention concerns the use of the microorganism cultivation process kit, biomass and sequestration and the use of polluting gases as a nutritional source for photosynthetic microorganisms.
O preparo do meio de cultivo e os nutrientes necessários, assim como a concentração de células necessárias para a partida do sistema são de conhecimento usual para um técnico no assunto e variam de acordo com a espécie de interesse.The preparation of the culture medium and the necessary nutrients, as well as the concentration of cells required for the system startup are common knowledge to one skilled in the art and vary according to the species of interest.
0 processo de obtenção de biomassa pode ter como objetivo a produção de biocombustíveis por meio do cultivo dos microorganismos fotossintéticos.The process of obtaining biomass may have as its objective the production of biofuels through the cultivation of photosynthetic microorganisms.
Por último, o seqüestro de gases poluentes, oriundos da queima de combustíveis (fósseis ou renováveis) ou não, serve como fonte de nutrientes para o crescimento dos microorganismos fotossintéticos.Finally, the sequestration of polluting gases, whether from burning fuels (fossil or renewable) or not, serves as a source of nutrients for the growth of photosynthetic microorganisms.
Além disso, o kit da presente invenção pode promover o seqüestro e utilização de gases poluentes e a obtenção de biomassa para a produção de biocombustíveis simultaneamente.In addition, the kit of the present invention can promote the sequestration and use of polluting gases and the obtaining of biomass for biofuel production simultaneously.
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Claims (27)
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