BRPI1003908A2 - fotobiorreator e kit para cultivo de microorganismos fotossintÉticos, obtenÇço de biomassa, sequestro e utilizaÇço de gases poluentes como fonte nutricional de microorganismos fotossintÈticos - Google Patents

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.

Description

Relatório Descritivo

FOTOBIORREATOR E KIT PARA CULTIVO DE MICROORGANISMOS FOTOSSINTÉTICOS, OBTENÇÃO DE BIOMASSA, SEQÜESTRO E UTILIZAÇÃO DE GASES POLUENTES COMO FONTE NUTRICIONAL DE MICROORGANISMOS FOTOSSINTÉTICOS.

CAMPO DA INVENÇÃO

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.

ESTADO DA TÉCNICA

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.

É conhecido que o efeito estufa é uma das principais

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

A presente invenção tem como características, soluções

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 INVENÇÃO

A presente invenção está relacionada a 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 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.

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.

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.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As Figuras IA e IB apresentam uma visão esquemática

superior e outra em perspectiva de uma modalidade preferida de célula do fotobiorreator da presente invenção, respectivamente.

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.

A Figura 4 apresenta uma vista esquemática superior de uma modalidade preferencial de associar as células do fotobiorreator em forma de quadrado.

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.

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.

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DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

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.

Para melhor compreensão do processo de cultivo dos microorganismos fotossintéticos e sua descrição detalhada, serão expostas, anteriormente, algumas definições.

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.

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.

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.

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.

Define-se, como sistema complementar o conjunto composto pelo tanque, filtro, "riser", cilindro e separador, além dos tubos e conexões que os ligam.

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.

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.

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.

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.

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.

Todas as considerações referentes às células feitas

acima são válidas para a forma da seção reta da coluna.

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.

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 também

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.

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.

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.

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 tanque

(307), um filtro de biomassa de organismos fotossintéticos

(308), um "riser" e tanques de armazenagem de gases necessários ao crescimento da cultura (3 09.1, 3 09.2, 309.3

e 3 09.4) e um separador de gases em excesso (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.

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.

Na seqüência, o cultivo segue para um filtro (308) que

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 uma

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.

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.

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.

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.

0 processo de obtenção de biomassa pode ter como objetivo a produção de biocombustíveis por meio do cultivo dos microorganismos fotossintéticos.

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.

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.

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Claims (27)

FOTOBIORREATOR E KIT PARA CULTIVO DE MICROORGANISMOS FOTOSSINTÉTICOS, OBTENÇÃO DE BIOMASSA, SEQÜESTRO E UTILIZAÇÃO DE GASES POLUENTES COMO FONTE NUTRICIONAL DE MICROORGANISMOS FOTOSSINTÉTICOS.

1. - Fotobiorreator caracterizado por ser operável sob iluminação natural ou artificial e por compreender uma ou mais células, tendo como vértices colunas, sendo essas colunas interligadas por feixes de tubos, sendo as células dispostas, sob padrão modular ou não, podendo duas células adjacentes compartilhar uma ou mais colunas e um ou mais feixes de tubos, compreendendo uma coluna denominada coluna de entrada, na qual ocorre a entrada do fluxo de meio de cultivo, um número a ser definido de colunas intermediárias, cujos fluxos de entrada e saida são internos ao fotobiorreator, e uma coluna denominada coluna de saida, na qual ocorre a saída do fluxo de meio cultivo.

2. - Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação I7 caracterizado pelo fato de as colunas componentes de cada célula estarem dispostas como pelo menos uma das formas entre circular, triangular, quadrangular, pentagonal e hexagonal.

3. - Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de as colunas componentes de cada célula estarem dispostas, preferencialmente, como os vértices de um quadrilátero.

4. - Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelas colunas de cada célula estarem dispostas, preferencialmente, como os vértices de um quadrado.

5. - Fotobiorreator, de acordo cora qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a interligação entre as colunas e os feixes de tubos seja formadora de um ou mais padrões poligonais ou elipsoidais.

6. - Fotobiorreator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 5, caracterizado pela disposição das células formando um quadrado com 'n' células em cada lado, contendo Mn-4' células externas, as quais são células que não compartilham pelo menos um de seus feixes de tubos com outra célula, e Mn-2)2' células internas, as quais são células que compartilham todos os seus feixes de tubos com outras células, sendo η maior que 1.

7. - Fotobiorreator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por conter, pelo menos, uma célula, sendo preferencialmente esta célula em formato de quadrado.

8. - Fotobiorreator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 5, caracterizado pela disposição das células em corredores arrumados em série ou paralelo, compreendendo cada um deles um módulo de entrada, o qual compreende três células, uma das quais recebe o fluxo de cultivo de um equipamento externo ao fotobiorreator e as outras duas são abastecidas do meio de cultivo pela primeira célula, com a qual compartilham duas colunas e um feixe de tubos cada, λη' módulos intermediários, os quais compreendem quatro células divididas em duas unidades de duas células adjacentes cada, nas quais as suas duas células compartilham entre si duas colunas e um feixe de tubos e compartilham duas colunas e um feixe de tubos com o módulo de entrada ou com um módulo intermediário anterior, além de que as unidades compartilham entre si uma coluna, sendo η maior ou igual a zero e um módulo de saída, o qual compreende uma célula e compartilha 3 colunas e dois feixes de tubos com o módulo intermediário anterior ou com o módulo de entrada no caso de não haver módulos intermediários, sendo a coluna não-compartilhada a coluna de saída do fotobiorreator.

9.- Fotobiorreator, de acordo a reivindicação 8, caracterizado pela associação entre os corredores ser feita em paralelo.

10. Fotobiorreator, de acordo a reivindicação 8, caracterizado pela associação entre os corredores ser feita em paralelo e em série.

11.- Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por conter, pelo menos, um corredor.

12.- Fotobiorreator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pela seção reta dos feixes de tubos serem circulares.

13.- Fotobiorreator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pela seção reta das colunas serem circulares.

14.- Fotobiorreator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pela seção reta das colunas serem quadriláteros.

15.- Fotobiorreator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado por ser constituído de vidro borossilicato.

16.- Fotobiorreator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado por ser constituído de materiais poliméricos, preferencialmente policarbonato.

17.- Kit caracterizado por conter o fotobiorreator, conforme definido nas reivindicações 1 a 16, e um 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.

18. - kit, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo filtro de biomassa conter um "bypass" e realizar a remoção parcial da população microbiana.

19.- Kit, de acordo com as reivindicações 17 e 18, caracterizado pelo "riser" introduzir'gases necessários ao crescimento populacional, sendo esses, preferencialmente, pelo menos uma das substâncias entre gás carbônico, óxido de enxofre e óxido de nitrogênio.

20. - kit, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo "riser" ser capaz de introduzir, opcionalmente, ar atmosférico.

21. - kit, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo "riser" ser capaz de introduzir, opcionalmente, gás carbônico.

22. - Uso do kit caracterizado por promover o cultivo de microorganismos, a obtenção de biomassa e o seqüestro e utilização de gases poluentes.

23. - Uso do kit, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado por promover a obtenção de biomassa para a produção de biocombustíveis por meio do cultivo dos microorganismos fotossintéticos.

24. - Uso do kit, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado por promover o seqüestro e utilização de gases poluentes como fonte nutricional de microorganismos fotossintéticos.

25. - Uso do kit, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato dos gases seqüestrados serem oriundos da queima de combustíveis ou não.

26. - Uso do kit, de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato dos gases seqüestrados serem oriundos da queima de combustíveis fósseis ou renováveis.

27. - Uso do kit, de acordo com as reivindicações 22 a 26, caracterizado por promover o seqüestro e utilização de gases poluentes e a obtenção de biomassa para a produção de biocombustíveis simultaneamente.