BRPI0613487A2 - processo hìbrido em batelada contìnua para produção de óleo e outros produtos úteis de micróbios fotossintéticos - Google Patents

Abstract

PROCESSO HIBRIDO EM BATELADA CONTìNUA PARA PRODUçãO DE óLEO E OUTROS PRODUTOS úTEIS DE MICRóBIOS FOTOSSINTéTIçOS, A presente invenção refere-se a um processo para cultivo de micróbios fotossintéticos compreendendo Sistemas Fechados para cultivo contínuo e Sistemas Abertos para cultivo em batelada, em que (a) a área do Sistema Fechado não ocupa mais do que 20% da área de Terra Total da facilidade de cultivo; (b) culturas em batelada nos Sistemas Abertos são iniciadas com um inóculo dos Sistemas Fechados contendo uma biomassa celular de não menos do que 5% da capacidade de transporte do referido Sistema Aberto; (c) a taxa de duplicação do referido micróbio fotossintético não é menor que uma vez a cada 16 horas; e (d) o tempo de residência da cultura em batelada no referido sistema aberto não é maior do que um període de 5 dias.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSOHÍBRIDO DE BATELADA CONTÍNUO PARA PRODUÇÃO DE ÓLEO EOUTROS PRODUTOS ÚTEIS DE MICRÓBIOS FOTOSSINTÉTICOS".

Campo Técnico

A presente invenção refere-se a um processo para produziróleos e outros produtos úteis de micróbios fotossintéticos. O processo prefe-rivelmente utiliza fontes de ponto grande de dióxido de carbono causadaspor práticas de extração industrial ou de recursos, tais como gás de chaminéde usinas de poder de queima de combustível de fóssil (carvão, óleo e gás),desse modo reduzindo suas emissões de dióxido de carbono.

O processo produz, produtos úteis, incluindo combustível renovável - óleosde planta que podem ser diretamente transformados em combustível detransporte de líquido tais como biodiesel.

O processo é potencialmente muito significante - tanto para re-duzir as emissões globais de dióxido de carbono, quanto para produzir car-gas de alimentação de biomassa como um material de partida para fabricarcombustíveis e outros produtos úteis que são atualmente fabricados primari-amente de geopetróleo. Primeiro, as usinas de poder de queima de combus-tível de fóssil, são atualmente responsáveis por cerca de um te/ço das emis-sões do mundo de dióxido de carbono - um assim chamado "gás de estufa"que os cientistas acreditam seja primariamente responsável por queima glo-bal. As fontes de ponto maior de produto de excreção de dióxido de carbonoincluem (i) gases de chaminé de uma variedade de práticas industriais taiscomo a produção de produtos químicos e refino de óleo e gás, e (ii) emis-sões colaterais criadas pela extração geological de óleo e gás natural. Emsegundo lugar, o processo descrito aqui emprega plantas microscópicas pa-ra diretamente usar o verdadeiro produto de excreção de dióxido de carbonocriado por queima de combustíveis para criar ainda mais combustível, oupara usar o produto de excreção de dióxido de carbono criado por produçãoquímica para criar ainda mais produtos químicos. Mais importantemente, ouso de plantas microscópicas neste processo torna possível usar gases dechaminé antes eles serem emitidos na atmosfera - um feito que não podeser realizado plantas terrestres - e desse modo reduz as emissões atmosfé-ricas.

Uma das principais razões pelas quais os micróbios fotossintéti-cos são superiores às plantas terrestres como uma fonte de carga de ali-mentação para biocombustíveis e produtos químicos com base biológica éque eles são aproximadamente 10 vezes mais produtivos, por área unitária.

A baixa produtividade de plantas terrestres é um maior engarrafamento naprodução de biocombustíveis, por que o material de carga de alimentaçãodeve ser transportado para bioprocessar plantas para tais grandes distânciasque a quantidade de combustível consumido por transporte sozinho podefacilmente exceder a quantidade de biocombustível produzida, desse modolimitando o tamanho economicamente prático da usina de bioprocessamen-to. Usando micróbios fotossintéticos, que são cerca de 10 vezes mais produ-tivos, usinas de bioprocessamento podem ter capacidade de cerca de 10vezes maior por que o custo e consumo de combustível de transporte dacarga de alimentação da biomassa (os micróbios) é reduzido.

Os gases de chaminé de usina de força tipicamente contêm nafaixa de 5% a 15% de dióxido de carbono, dependendo de se eles estãoqueimando óleo ou carvão, respectivamente. Excreções de gás de chaminéde processos de produção industrial contêm comparavelmente grandesquantidades de dióxido de carbono, e as correntes de excreção geradas du-rante a extração de recurso podem consistir em dióxido de carbono quasepuro. Todas as usinas empregam dióxido de carbono e plantas microscópi-cas vivas em um meio aquático, e podem resistir - realmente freqüentemen-te requerem - concentrações de dióxido de carbono de 5% ou mais. As plan-tas terrestres, por outro lado, vivem em um meio gasoso (a atmosfera daTerra), que atualmente tem uma concentração de dióxido de carbono decerca de 0,035%, e não podem resistir a concentrações cem vezes maioresencontradas em gases de chaminé.

Especificamente, esta invenção refere-se a um processo de cul-tivo de dois estágios, o "processo híbrido de batelada contínuo", onde asculturas aquosas de micróbios fotossintéticos (organismos de célula única,incluindo bactérias, cianobactérias, e algas) são mantidas em um estado decrescimento exponencial contínuo sob condições suficientes de nutriente emum fotobiorreator fechado, do qual uma fração é periodicamente removidapara inocular uma cultura de batelada em um sistema de cultivo aberto ondeas condições iniciais de intensidade de luz elevada e concentrações de nu-triente elevadas favorecem o crescimento exponencial continuado duranteum breve período, porém onde os nutrientes são rapidamente exauridos e aluz torna-se o fator Iimitante devido à proliferação de células - condições quefavorecem a biossíntese de óleo, resultando em teor de óleo celular maiselevado. "Nutrientes", como aqui definido, são compreendidos dos assimchamados "Macronutrientes", que são compostos de nitrogênio e fósforo quesão geralmente supridos em grandes quantidades e são o principal alimentopara o crescimento, e os "Micronutrientes", que incluem vitaminas e compos-tos contendo metais de traço como ferro ou magnésio que são geralmentesupridos em quantidades muito pequenas. Em geral, o processo híbrido debatelada contínua produz produtividade de óleo maior do que pode ser obti-do por um processo de estágio único, ou contínuo ou em batelada. Adicio-nalmente, a invenção fornece uma metodologia para o uso seguro de siste-mas de cultivo aberto, que requerem muito menos habilidade e experiênciapara operar do que os sistemas fechados, porém que têm provado ser deoutro modo não confiável para cultivo em larga escala.

Os micróbios fotossintéticos são plantas de uma única célulaque, como suas contrapartes terrestres multicelulares (células diferenciadasque são incapazes de sobreviver independentemente), produzem biomassaque pode ser convertida em combustíveis e outros produtos úteis que sãoatualmente derivados quase que exclusivamente de combustíveis de fósseisnão-renováveis. Realmente, os antepassados fossilizados destes micróbiosfotossintéticos são a fonte dominante de reservas geológicas atualmente decarvão, óleo e gás. A biomassa de micróbios fotossintéticos atuais represen-ta uma carga de alimentação renovável para uma variedade de produtos queincluem, porém não estão limitados a óleos, lubrificantes, plásticos, petro-químicas, e combustíveis. Os micróbios fotossintéticos são potencialmenteuma fonte muito melhor destes produtos do que as plantas terrestres, porque eles têm maior eficiência fotossintética, desenvolvem cerca de dez ve-zes mais rápido, e desse modo produzem mais biomassa por área unitária.

O teor de óleo de micróbios fotossintéticos é geralmente maior sob condi-ções que favorecem baixas taxas de crescimento. Condições que favorecemaltas taxas de crescimento e o maior teor de óleo são mutuamente exclusi-vas. Qualquer processo que produza tanto altas taxas de crescimento quan-to alto teor de óleo no menor tempo claramente produziria a maior taxa totalde produção de óleo. Entretanto, as condições que favorecem altas taxas decrescimento geralmente favorecem o maior teor de proteína.

Técnica Antecedente

Milhares de espécies de micróbios fotossintéticos são rotineira-mente cultivados em escala relativamente pequena no laboratório, em vasosde cultura que variam de diversos mililitros até algumas centenas de litrosem capacidade. Entretanto, tentativas de cultivar em escalas maiores, ge-ralmente necessárias para produção comercial, têm se revelado bem-sucedidas para menos do que 10 espécies - a despeito de um esforço mun-dial que durou metade de um século e consumiu bilhões de dólares.

Existem dois tipos básicos de vasos de cultura que foram em-pregados no esforço de cultivar micróbios fotossintéticos em escala comer-cial: (1) Fotobiorreatores (Sistemas Fechados), e (2) Sistemas Abertos.(1) Os Sistemas Fechados são caracterizados primariamente pela provisãode métodos de controlar o acesso à atmosfera. A permuta de gás com a at-mosfera é deixada ocorrer sob condições controláveis. Dióxido de carbonoentra no vaso de cultura como um combustível para crescimento, e oxigênio,o produto de excreção gasoso de fotossíntese é deixado escapar do vaso decultura. ( O carbono é assimilado em biomassa de planta, e o "dióxido" - oxi-gênio - é expelido.) Entretanto, a permuta de gás ocorre através de meca-nismos de filtragem que são designados para proibir a entrada no vaso decultura de quaisquer espécies de micróbio fotossintético exceto aquele queestá sendo preferencialmente cultivado aqui.

Sistemas Fechados são usualmente também designados parapermitir o controle de outras condições ambientais. A provisão para o contro-le de variáveis ambientais tais como temperatura, pH, condições nutrientes,e luz torna possível otimizar as condições de crescimento para diferentesespécies de plantas microbianas, que, como as plantas terrestres, têm prefe-rências distintas para combinações únicas de tais variáveis.

Para um determinado grupo de condições ambientais, todas asespécies de micróbios fotossintéticos desenvolvem-se em sua taxa máximadentro de uma faixa estreita de concentrações celulares. Conseqüentemen-te, alguns Sistemas Fechados são designados para operar como "turbidos-tats", onde a propriedade ótica de turvação (opacidade), que é uma funçãoda concentração celular, é monitorada por meio de sensores programáveisque medem a densidade ótica do meio. O operador pode especificar umafaixa desejada de concentração celular aceitável, entre um baixo valor e umalto valor. O baixo valor corresponde diretamente a uma baixa densidadeótica específica (o "baixo ponto de fixação"), e o alto valor a uma alta densi-dade ótica específica (o "ponto de fixação elevado"). O sensor de densidadeótica é então programado conseqüentemente. Quando a densidade óticaatinge um valor que excede o ponto de fixação superior designado, o turbi-dostat ativa um mecanismo de controle que provê a remoção (coleta) deuma fração da cultura e a substitui com meio nutriente livre de célula, dessemodo diluindo a concentração celular para produzir um valor de densidadeótica que compartilha o ponto de fixação menor designado. As células entãose desenvolverão, aumentando em concentração até a densidade ótica atin-gir um valor que mais uma vez excede o ponto de fixação superior, tempo noqual o ciclo repete-se.

Preferivelmente, um vaso de cultura de Sistema Fechado éconstruído primariamente de material transparente, tal como vidro ou plásti-co, que permite a transmissão de radiação fotossinteticamente ativa (luz vi-sível), porém que de outro modo separa o meio de cultura da atmosfera. Osvasos de cultura podem tomar muitas formas diferentes, porém eles todoscompartilham em comum uma dimensão espacial que limita seu desempe-nho, e que sua profundidade relativa à intensidade de luz incidente. Estacaracterística surge de uma propriedade básica de fotossíntese, a saber,aquela taxa fotossintética é limitada pela intensidade da luz. Desse modo,em qualquer determinada intensidade de luz, a taxa de fotossíntese de umacultura celular é maximizada como uma função da área iluminada, isto é, aárea do meio de cultura que é exposta à luz (não necessariamente a Área deSuperfície, que pode incluir áreas do vaso de cultura que não são expostas àluz). Considerar dois vasos de cultura, tanto ao ar livre quanto expostos à luzdo sol. Um é no formato de um tanque retangular com lados e base sólidos,e o segundo é no formato de um cilindro transparente, colocado horizontal-mente sobre o topo do chão. Para um tanque retangular a Área de Superfí-cie inclui o topo, a base, e os lados do tanque, porém apenas a área de topodo meio de cultura é exposta à luz do sol. Para um tal tanque ao ar livre, en-tão, a Área Iluminada é igual a menos do que a metade da Área de Superfí-cie. Por comparação, para o cilindro transparente, a Área de Superfície é asuperfície inteira do cilindro e, não importa qual o tempo do dia, metade da

Área de Superfície será sempre diretamente iluminada pela luz do sol. Des-se modo, para o cilindro, a Área Iluminada é igual à metade da Área de Su-perfície.

Um segundo fator afetando a ligação entre a fotossíntese e a luzé a concentração celular no meio de cultura. Quanto maior a concentraçãocelular dentro de um meio, menor a profundidade na qual a luz pode pene-trar, por que a penetração de luz diminui aproximada e exponencialmentecomo uma função de concentração celular. Em outras palavras, se a con-centração celular diminuir em uma taxa constante, a luz desaparece cadavez mais rápido. Em alguma profundidade em uma cultura celular, então, aluz realmente diminuirá para zero.

Como um assunto prático, a profundidade de cultura ideal paraos micróbios fotossintéticos expostos à luz do sol abundante é geralmentena faixa de 10 a 20 centímetros. Nenhuma vantagem pode ser obtida forne-cendo maior profundidade da cultura, por que a concentração de células porÁrea Iluminada permanecerá a mesma, e as células mais profundas não re-ceberão luz suficiente. A profundidade ideal, então, coloca um limite sobre acapacidade de operação normal de qualquer sistema de cultura, indepen-dente de sua Área Iluminada. Este fenômeno é um aspecto criticamente im-portante no planejamento de sistemas de cultivo. Volumes maiores reque-rem mais materiais, em custo maior, porém em algum ponto o aumento emvolume não fornece nenhum aumento em produtividade por Área Iluminadaunitária.

Culturas de micróbios fotossintéticos geralmente requerem agi-tação ou mistura a fim de manter uma distribuição homogênea de células nomeio. A tendência natural de micróbios fotossintéticos em água de destilariaé formar agregações densas, nas quais as propriedades do meio são altera-das em detrimento da cultura. Em uma microescala, na agregação, a dispo-nibilidade de luz e a concentração de nutrientes e gases torna-se muito dife-rente do restante do meio em que o crescimento é limitado. Algumas espé-cies têm apêndices conhecidos como cílios ou flagelos que as permite na-dar; tais espécies móveis ("em movimento") ativamente formam agregações.

A maioria das espécies não-móveis é mais pesada do que a água e afunda-rá, formando uma agregação passiva na base. Para prevenir tais agrega-ções, Sistemas Fechados devem fornecer um método para criar turbulênciausando dispositivos tais como pontes aéreas ou bombas.

(2) Sistemas Abertos diferem de Sistemas Fechados em um as-pecto crítico, a saber que eles são abertos para a atmosfera. Este aspecto évantajoso tanto para construção quanto para operação, de diversas manei-ras. Primeiro, por que a Área Iluminada de um Sistema Aberto é expostadiretamente à luz do sol, não existe nenhuma exigência para uso de um ma-terial transparente para construir o vaso de cultura; isto fornece ampla latitu-de na escolha de materiais. Segundo, por que nenhum material é ussadopara cobrir a Área Iluminada do Sistema Aberto, a quantidade e custo dematerial é reduzida em cerca da metade. Terceiro, Sistemas Abertos sãogeralmente mais fáceis de limpar do que os Sistemas Fechados. Em tempoprolongado a superfície interna de qualquer vaso de cultura tenderá a acu-mular uma película de crescimento microbiano. Em um Sistema Fechado oacúmulo de uma tal película sobre a Área Iluminada absorverá luz; o conse-qüente decréscimo em intensidade de luz causa um decréscimo em produti-vidade. Tanto nos Sistemas Abertos quanto nos Sistemas Fechados a su-perfície do vaso de cultura pode acumular películas microbianas de espéciesindesejáveis que podem ser prejudiciais ao crescimento e produção das es-pécies desejadas. Em qualquer dos casos, a superfície do vaso de culturarequererá limpeza ocasionalmente. Como uma matéria prática, os SistemasAbertos permitem um escolha mais ampla de metodologias de limpeza. Porexemplo, pessoas e grandes tipos de equipamento de limpeza mecânicostais como mangueiras, lavadoras de pressão, e escovas que não podem en-trar no espaço confinado de um Sistema Fechado podem facilmente entrarem um Sistema Aberto.

A principal desvantagem de um Sistema Aberto é que, sendoaberto para a atmosfera, ele é suscetível à contaminação por espécies inde-sejadas. Alguém pode começar a operação de uma cultura de Sistema Aber-to com apenas uma espécie desejada de micróbio fotossintético. Entretanto,espécies indesejadas inevitavelmente serão introduzidas, seja por transporteatmosférico ou outros métodos. Quaisquer espécies indesejadas que desen-volvem-se mais rápido do que as espécies desejadas nas mesmas condi-ções ambientais autocompetirão, em tempo prolongado, com as espéciesdesejadas e finalmente dominarão a cultura.

Em resumo, Sistemas Fechados são designados especificamen-te para proibir a contaminação por espécies indesejadas, com a expectativade que o cultivo contínuo de uma espécie desejada pode ser possível duran-te um período muito maior do que seria possível em um Sistema Aberto. En-tretanto, Sistemas Fechados são mais complicados para construir e operar.

Os Sistemas Abertos fornecem uma escolha mais ampla de materiais para aconstrução, e também fornecem uma escolha mais ampla de metodologiasde limpeza. Sistemas Fechados requerem práticas de operação adicionais,tais como o uso de técnica estéril durante transferências de fluído, que re-querem maior tempo e perícia por parte do operador.

Diferenças teóricas entre os Sistemas Fechado e Sistemas A-bertos têm surgido na prática. O primeiro micróbio fotossintético foi isoladoda natureza e o desenvolvimento em cultura pura um pouco mais do queuma centena de anos atrás, porém não foi até os idos de 1930 que volumessuficientemente grandes de uma única espécie pode ser cultivada para per-mitir análise química. Pelos anos de 1940 várias espécies foram desenvolvi-das em culturas de laboratório de cerca de 25 litros, e descobriu-se que, al-terando as condições ambientais da cultura, o teor de óleo ou de proteína dealgumas espécies pode ser feito exceder 60% da massa celular total.

As primeiras tentativas em cultura de larga escala começaramnos anos de 1950, estimuladas por interesse difundido em micróbios fotos-sintéticos como uma fonte de proteína econômica para alimentos e alimen-tações animais. Os primeiros Sistemas Abertos, construídos na Alemanha,tomaram a forma de canais adutores recirculantes, alongados, rasos, comfluxo fornecido por um dispositivo de roda propulsora. Programas nacional-mente consolidados desenvolveram-se rapidamente em todo o mundo, todosseguindo o projeto de "tanque aberto" alemão. Os primeiros tanques abertostiveram capacidades de exatamente alguns milhares de litros. Nos últimosanos de 1950, capacidades de quase 100.000 litros foram atingidas e, pelosúltimos anos sessenta, quase 1.000.000 litros. Tal aumento na capacidadetrouxe economias de escala.

Centenas de espécies foram testadas no laboratório, e tentativasforam feitas para cultivar os melhores produtores de proteína em lagoas a-bertas durante os anos sessenta e setenta. Somente algumas espécies pro-varam ser tratáveis pelo cultivo prolongado. Estas poucas espécies, tal comoSpirulina platensis e Dunaliella salina, continuaram para se tornar a base deprodução comercial, efetuada em sistemas de lagoa abertos que cobre cen-tenas de acres. As espécies comerciais bem sucedidas provaram ser "ex-tremófilos", que prosperam em condições de pH ou salinidade extraordinari-amente elevado. A maior parte das espécies prefere condições que prevale-cem em natura, onde numerosas espécies prosperam simultaneamente. Du-rante duas décadas, todas as tentativas para cultivar culturas de espéciesúnicas de não extremófilos em lagoas abertas falharam após menos do quealguns meses porque elas foram contaminadas por outras espécies que pro-liferaram sob as mesmas condições ambientais.

Interesse renovado em cultivo de grande escala foi estimuladonos anos oitenta e noventa pelo prospecto de produzir biocombustíveis re-nováveis empregando óleos de micróbios fotossintéticos tal como uma cargade alimentação. Durante este período, as agências de governo dos EstadosUnidos e Japão, por exemplo, investiram aproximadamente $150 milhõesem um tal esforço. Tais programas compartilharam dois objetivos: primeiro,coletar e identificar espécies de micróbios fotossintéticos que produzem con-centrações elevadas de óleo e então determinar as condições ambientaissob as quais eles fazem isso; e, segundo, designar e demonstrar a operaçãode sistemas de cultivo de grande escala para a produção de cargas de ali-mentação de biocombustível empregando espécies que tenham sido desen-volvidas no laboratório. Ambos os programas tiveram sucesso no primeiroobjetivo, porém falharam no segundo.

Os estudos de laboratório quantificaram resultados mais preco-ces. As coletas de cultura de centenas de espécies foram reunidas. Pesqui-sa em numerosas cepas demonstra que, em geral, a suficiência de nitrogê-nio (nitrogênio é necessário para síntese de proteína) promoveu taxas decrescimento elevadas e baixo teor de óleo, considerando que a deficiênciade nitrogênio resultou em baixas taxas de crescimento e teor de óleo eleva-do. Para algumas espécies, foi também notado que a tensão, causada porfatores tal como intensidade elevada de luz ou temperaturas muito altas, po-de induzir espécies a trocar de síntese de proteína para síntese de óleo. Asespécies capazes de produção de óleo ideal - quanto maior o teor de óleomais elevada a taxa de crescimento - foram selecionadas para experiênciasde produção de grande escala.

A produção de grande escala foi de novo tentada no final dosanos oitenta e começo dos anos noventa empregando sistemas de lagoaabertos. Os resultados operacionais foram similares àqueles obtidos duranteas três décadas prévias. As espécies produtoras de óleo promissoras foramselecionadas das coletas, e as culturas foram inoculadas nas lagoas. Entre-tanto, como na experiência anterior, as culturas de espécies únicas não pu-deram ser mantidas durante mais do que algumas semanas ou meses.

O relatório final do programa dos Estados Unidos referiu-se a este fenômenocomo uma "incerteza com a natureza de controle de espécies obtido".

Nos anos noventa os estados de cultivo de grande escala nãoprogrediram além do ponto alcançado nos anos sessenta. Três tipos de mi-croalgas - Spirulina, Dunaliella e Chlorella - foram cultivadas em instalaçõesempregando sistemas de lagoa abertos cobrindo mais de 100 acres. Asclassificações de outras espécies foram tentadas mundialmente, porém to-das as tentativas falharam. Os programas de biocombustíveis, em particular,foram incapazes de cultivar qualquer espécie desejada a qualquer escalafora do laboratório. Além disso, os programas de biocombustíveis focaramem tentativas para demonstrar as possíveis taxas de produção de biomassamais altas sob suficiência de nutriente, condições que são conhecidas deestudos de laboratório para favorecer o baixo teor de óleo. Nenhuma tentati-va foi feita em grande escala para maximizar a produção de óleo.

A tecnologia de Sistema Fechado de Grande Escala começou areceber atenção significante no começo dos anos noventa, uma vez que fi-cou evidente que as culturas da maior parte das espécies expostas à atmos-fera não foram tratáveis. Naquele momento, os maiores Sistemas Fechadosque foram algumas vezes empregados foram não mais do que alguns millitros em capacidade. Os avanços na última década tiveram sucesso na ca-pacidade de reator crescente por um fator de cerca de 10, a cerca de 30.000litros. Porém isto não está em nenhuma parte próximo da taxa de aumentoalcançada para capacidade de Sistema Aberto que, também durante umadécada (nos anos cinqüenta a sessenta), aumentou por um fator de 1.000.

O limite superior da capacidade de Sistema Fechado é, emgrande parte, uma conseqüência direta das exigências de desígnio ineren-tes. Todos os desígnios do Sistema Fechado básicos em uso hoje foramdesenvolvidos primeiro nos anos cinqüenta, e podem ser categorizados co-mo segue: (1) bolsas verticais, tubos, ou torres; (2) reatores de placa plana;e (3) tubos horizontais. Os sistemas verticais são constrangidos através delimitações de altura. Mesmo quando exposto a luz solar completa, a maiorparte das culturas alcança tais densidades de célula elevadas, cuja luz équase completamente absorvida a uma distância de mais do que 15 a 20 cmda Área Iluminada. Este constrangimento limita o diâmetro do recipiente decultura a não mais do que 30 ou 40 cm. Para alcançar uma capacidade demais do que 10.000 litros, por exemplo, um sistema vertical de 40 cm de di-âmetro teria que ter mais de 80 metros (260 pés) de altura. Tais dimensõesapresentam desafios claros em engenharia estrutural que, até mesmo serealizável, se tornam crescentemente complexos quanto maior o volume dosistema. Uma das soluções óbvias foi introduzir um sistema de iluminaçãodentro do reator, porém experiências têm mostrado que isto apresenta ou-tros problemas, dos quais a bio-sujeira pode ser o maior. Durante um temporelativamente curto, a superfície da fonte de luz tende ser coberta com umapelícula microbiana, nitidamente reduzindo intensidade de luz e desse mododerrotando o propósito da fonte de luz. Para remover a cultura, limpar o reci-piente é uma opção, porém dificilmente desejável se o objetivo é operaçãocontínua. Outra opção anti-sujeira comum, tornando a superfície da fonte deluz Tóxica aos micróbios, é claramente indesejável. Em geral, o uso de ilu-minação interna torna o sistema mais complexo.

Os sistemas horizontais tal como reatores de placa plana e tu-bos horizontais eliminam a necessidade pela construção estrutural requeridade sistemas verticais. Empregando a superfície da terra para suporte estru-tural, a capacidade potencial de tais sistemas poderia parecer ilimitada. En-tretanto, a capacidade de sistemas horizontais é geralmente limitada pelaexigência de fluxo turbulento, quer empregado para manter mistura adequa-da ou carregar e esvaziar o recipiente de cultura.

O fluxo turbulento em um tubo ou um canal é descrito pelo nú-mero de Reynolds, definido como a velocidade do fluido multiplicada pelo"comprimento característico" do tubo ou canal, e dividido pela viscosidade dofluido. O número de Reynolds não tem qualquer unidade, como polegadasou libras, e é então "sem dimensão", tipo "um meio" ou "dois terços".O comprimento característico de um tubo carregado de fluido é seu diâme-tro; o comprimento característico de um canal largo é sua profundidade. Pa-ra um fluido de viscosidade constante, o fluxo se tornará crescentementeturbulento quando a velocidade do fluxo aumenta. A turbulência tambémaumenta em proporção ao comprimento característico; isto acontece porqueas superfícies de canal e tubo são "pegajosas". As superfícies causam fric-ção que reduz a velocidade do fluxo; a taxa de fluxo é quase zero próximo àsuperfície, e aumenta com a distância longe da superfície. Desse modo, emum tubo ou canal com comprimento característico pequeno, a fricção de su-perfície terá um grande efeito no fluxo médio. Em contraste, em um tubo oucanal com comprimento característico grande, a fricção de superfície terápequeno efeito sobre o fluxo médio, e a turbulência será maior.

A fricção de superfície também faz sentido em de distância. Ima-gine um tubo muito longo pelo qual a água é impelida por uma bomba. Naorigem, próxima a bomba, o fluxo é turbulento. Quanto mais o fluido se movepara baixo do tubo, mais a superfície fica exposta a e, quanto mais a superfí-cie é exposta a, mais seu fluxo é reduzido por ficção. Em algum ponto da ori-gem, a fricção acumulada removeu tanta energia do fluxo de fluido que deixade ser turbulento. Isto acontece quando, o número de Reynolds cai para abai-xo de um valor de cerca de 2000, e então o fluxo é referido ser "laminar".

O fluxo laminar não é desejável em culturas de célula porque emtais condições as células têm uma tendência a se agregar, ou afundando ounadando. O fluxo turbulento previne tais agregações. Por exemplo, imaginecomo partículas de areia afundariam rapidamente para o fundo em uma la-goa imóvel, porém não faria assim em uma onda de rompimento grande ouuma movendo-se rapidamente.

Em resumo, então, o fluxo turbulento é mantido evitando-se ve-locidades de fluido muito baixas, comprimentos característicos muito peque-nos, e canais muito longos. O comprimento característico para Sistemas Fe-chados horizontais tal como reatores de placa plana ou tubos horizontais é aprofundidade da cultura, que, como explicado previamente, tem um limitesuperior prático de cerca de 20 cm. Alguém pode criar fluxo turbulento emum reator de placa plana ou um tubo horizontal com qualquer número dedispositivos tal como bombas ou suspensões pneumáticas. Entretanto, comdistância crescente da origem do fluxo, a energia turbulenta é perdida pelafricção tal que, a alguma distância finita o fluxo se torne laminar. Em condi-ções de fluxo laminar as células da maior parte dos micróbios fotossintéticosafundarão para o fundo do reator. Isto é indesejável por muitas razões, amais importante das quais é que a colheita das células se torna problemáti-ca. Uma solução é fornecer energia mais turbulenta à fonte, porém isto éaceitável somente para um limite superior onde o cisalhamento mecânicodanifica as próprias celas. Ainda outra solução é fornecer bombas múltiplas,por exemplo, ao longo do reator, porém esta abordagem introduz complexi-dades adicionais de ambos construção e operação.

Como um fato da prática, os Sistemas Fechados verticais sãolimitados a uma capacidade de menos do que cerca de 1.000 litros, e os Sis-temas Fechados horizontais parecem ser limitados a capacidades de menosdo que cerca de 50.000 litros. Com a finalidade de cultivo em grande escalade micróbios fotossintéticos, os Sistemas Fechados são muito mais caros ecomplexos para construir e operar do que os Sistemas Abertos. Isto é por-que cada sistema independente requer sua própria infra-estrutura indepen-dente: um conjunto de dispositivos ou mecanismos para fornecer misturaturbulenta, introdução e remoção de meio, e monitoramento e controle devariáveis tal como pH e temperatura. Para cobrir uma determinada área deterra com Sistemas Fechados requer pelo menos 10 vezes mais infra-estrutura do que cobrindo a mesma área de terra com Sistemas abertos,tornando o cultivo de sistema Fechado muito mais complicado.

Na prática, todo sistema de cultivo para micróbios fotossintéticosenvolve um acoplamento de Sistemas abertos e Sistemas Fechados em al-guma escala. Todos os sistemas de cultivo, independente da escala, depen-dem no final das contas de seu inóculo original de células em coletas de cul-tura habitualmente mantidas ao redor do mundo. Todas as coletas de culturaexclusivamente mantêm suas culturas de célula em pratos Petri, tubos deteste, ou frascos esterilizados - todos dos quais são, estritamente falando,Sistemas Fechados. Até mesmo os sistemas de produção em grande escalaque podem ser considerados consistir "puramente" em Sistemas abertos têmque depender definitivamente de um Sistema Fechado para fornecer o inó-culo original.

O principal enigma técnico para a produção de micróbios fotos-sintéticos é que a tecnologia de Sistema aberto avançou para uma grandeescala que é econômica e relativamente fácil de operar, porém não podefornecer produção sustentável de micróbios desejados. Ao contrário, os Sis-temas Fechados fornecem produção sustentável de micróbios desejados,porém até mesmo em sua grande escala, eles são dispendiosos e complica-dos de operar.

Desse modo, há uma necessidade para um método de produçãoque fornece produção sustentável reduzindo-se o potencial para contamina-ção e ainda não substancialmente aumenta a complexidade ou custo deconstrução ou operação.

É então um objetivo desta invenção fornecer um método eficazpara produção sustentável de micróbios fotossintéticos em grandes escalaso qual possa ser facilmente construído e não aumente a complexidade oucusto de construção ou operação.

É ainda um outro objetivo desta invenção fornecer um métodode produção que seja especialmente adequado para otimizar a produção deóleos e outros produtos úteis de micróbios fotossintéticos. Os óleos e outrosprodutos úteis podem ser então extraídos e purificados da biomassa agre-gada por meio de uma variedade de métodos químicos.Sumário da Invenção

Estes e outros objetivos são alcançados por uma metodologia deprodução contínua-batelada de dois estágios, em que o primeiro estágio deprodução contínua é realizado nos Sistemas Fechados e o segundo estágioda produção de batelada é realizado nos Sistemas Abertos. Primeiro, al-guém deve selecionar (incluindo criar por, por exemplo, modificação genéti-ca) um micróbio que é capaz de crescer a uma taxa de pelo menos uma du-plicação a cada 16 horas, quando fornecido com gás carbônico suficiente,contanto que a luz e os nutrientes sejam adequados. Tal modificação genéti-ca é descrita, por exemplo, em "Transgenic microalgae * as green cell-factories", de R. Léon-Banares, D. González-Ballester, A. Gálvan e E. Fer-nández (em Trends in Biotechnology, Volume 22(1), pp. 45-52, 2004) queestá aqui incorporado por referência. Por exemplo, é atualmente preferidopraticar esta invenção com as seguintes espécies e/ou cepas: (i) cepa deTetraselmis suecica, "TETRA1" na University of Hawaii Culture Collection;cepa Isochrysis galbana, "ISOCH1" na University of Hawaii Culture Collecti-on; (iii) Phaeodactylum tricornutum, ou cepa " PHAE01" ou "PHAE02" naUniversity of Hawaii Culture Collection; ou (iv) Nannochloropsis sp., em par-ticular a cepa A. Sukenik strain empregada por Fabregas e outros (2004),reportado em "The cell composition of Nannochloropsis sp. changes underdifferent irradiances in semicontinuous culture", World Journal of Microbio-Iogy and Biotechnology, Vol. 20, pp. 31-35. A University of Hawaii CultureCollection inclui a coleta de cultura total de várias centenas de espécies ecepas amontoadas nos anos oitenta e noventa pelo U.S. Natural. RenewableEnergy Laboratory (NREL), especificamente com a finalidade de produzirbiocombustíveis de micróbios fotossintéticos. As espécies adicionais quetambém poderiam ser empregadas incluem Dunaliella primoleeta e Nitzsehiaelosterium. Em particular, os Sistemas Fechados deveriam compreender nãomais do que 20% da Área de Terra Total de culturas, isto é, a área total ocu-pada pela Área de Sistema Fechado mais a Área de Sistema Aberto. Alémdisso, dado que cada espécie de micróbio fotossintéticos atingem uma bio-massa máxima por Area Iluminada de unidade sob um determinado conjuntode condições ambientais ("capacidade de carga"), a quantidade de biomassafornecida pelos Sistemas Fechados para iniciar ou "inocular" qualquer cultu-ra de Sistema Aberto deveria ser igual a mais do que 5% da capacidade decarga do Sistema Aberto. Para maximizar a capacidade de carga das cultu-ras de Sistema Aberto, elas deveriam ser fornecidas com nutrientes suficien-tes de forma que luz, não nutrientes, limite a capacidade de carga. Adicio-nalmente, nenhuma cultura de batelada em qualquer Sistema Aberto deveriaser permitida para persistir durante um período (o "tempo de permanência")de mais do que 5 dias.

A limitação de 20% da Área de Terra Total ocupada pela Área -de Sistema Fechada assegura que a complexidade de construção e opera-ção da facilidade de produção total seja minimizada. As provisões para oinóculo de biomassa mínimo e o tempo de permanência máximo, asseguramque os riscos de contaminação das culturas de Sistema Aberto através deespécies indesejáveis são então reduzidos uma vez que devem ser inconse-qüentes. Este processo pode ser empregado por qualquer espécie de micró-bio fotossintético atende às exigências de taxa de crescimento declaradaacima.

Descrição de uma Modalidade Preferida

É preferido que a Área de Terra Total em cultivo ativo em qual-quer facilidade de produção seja compreendida de não mais do que 20 % daÁrea de Sistema Fechado e não menos do que 80 % da Área de Sistema A-berto. O cálculo da Área de Sistema Aberto para este propósito significa so-mente a Área Iluminada do meio de cultura nos Sistemas Abertos, assumindoque todos os Sistemas Abertos na facilidade de produção contêm meio decultura. O cálculo da Área de Sistema Fechada, entretanto, inclui ambas a"Área Plana" coberta pelos reatores e também qualquer "Área Inerte" entrerecipientes de reator adjacentes. Por exemplo, imagine uma área de terra o-cupada por uma série de Sistemas Fechados tubulares horizontais. A Área dePlano será coberta pelos próprios reatores (por exemplo, um tubo longo de3,048 m (10 pés), 0,3048 m (1 pé em diâmetro), cobre uma área de 0,93 m2(10 pés quadrados)), e é igual a Área Iluminada do meio de cultura, porémpode haver Área Inerte adicional entre os tubos adjacentes que não é cobertapelos reatores. A área inteira de terra requerida pelos Sistemas Fechados, istoé, a Área do Sistema Fechado, é a Área de Plano mais a Área Inerte. Poranalogia, a área inteira desta página é requerida para escrever, porém aprópria escritura ocupa somente uma fração da área total na página.

A provisão de 20% da Área do Sistema Fechado e 80% da Áreado Sistema Aberto assegura maior eficiência porque a complexidade total deconstrução e operação de qualquer facilidade de produção é substancial-mente reduzida em comparação com uma facilidade que seria compreendidacompletamente de Sistemas Fechados.É preferido que (1) a quantia de biomassa fornecida pelosSistemas Fechados para inocular os Sistemas Abertos deva ser igual a maisdo que 5% da capacidade de carga dos Sistemas Abertos agregados; (2) ataxa de crescimento das espécies que são cultivadas é maior do que apro-ximadamente um e uma meia duplicação por dia (isto é, a biomassa da célu-la dobra aproximadamente a cada 16 horas); e que (3) nenhuma cultura sejamantida em qualquer Sistema Aberto durante um período de mais do que 5dias. A combinação destas três limitações assegura que, de forma alguma, acultura deveria atingir uma biomassa do micróbio desejado que é igual à pe-Io menos aproximadamente 90% da capacidade de carga em 5 dias ou me-nos. Isto é importante por várias razões. Primeiro, uma cultura que é inocu-Iada a uma concentração de célula relativamente elevada (isto é, maior doque 5% da capacidade de carga) dominará o meio comparado a qualquercélula não desejada que possa ter sido introduzida inadvertidamente. Se-gundo, porque a maior parte das espécies crescem a taxas substancialmen-te menores do que 1 duplicação a cada 16 horas (1,5 duplicação por dia),uma espécie que é capaz de crescer isto rapidamente ultrapassará a maiorparte dos competidores potenciais. Terceiro, a combinação do inóculo gran-de (maior do que 5% da capacidade de carga) e taxa de crescimento eleva-da (maior do que 1 duplicação a cada 16 horas) assegura que, dentro de 5dias, a biomassa total estará muito próxima da capacidade de carga. Estascondições são importantes para (1) reduzir o risco de contaminação, e (2)promover a produção de biomassa total ou a biossíntese ou produção deóleo. Primeiro, um contaminante potencial teria que ter um inóculo grande eteria que crescer mais rapidamente do que as espécies desejadas para do-minar o meio de cultura dentro de 5 dias. Segundo, a produção de óleo emparticular é favorecida em culturas que estão próximas da capacidade decarga porque os recursos se tornam Iimitantes ao crescimento uma vez quea cultura passa 50% de capacidade de carga. Ao limitar os recursos favorá-veis ao crescimento, alguém geralmente estimula a biossíntese de óleo.

É preferido que as culturas de célula sejam fornecidas até certoponto com gás carbônico gasoso de um modo que permita o gás carbônicodissolver no meio. Este método não somente fornece uma fonte constante docarbono necessário para o crescimento, porém também tem o efeito de man-ter o pH mais ou menos constante do meio, sem que o pH tenda a aumentaruma vez que o gás carbônico é removido, conduzindo a condições desfavorá-veis para crescimento. De formal ideal, o gás carbônico para este processo éfornecido através de emissões de fonte de ponto de processos de extração derecurso (tal como drenagem para óleo ou gás), ou dos processos de fabrica-ções industriais ou usinas de força de queima de combustível de fóssil - todosdos quais envolvem um fluxo residual de gás que é rico em gás carbônico.

O processo descrito aqui evita emissão do gás carbônico residual na atmosfe-ra e, ao contrário, o converte em biomassa potencialmente útil.

Alguém poderia melhorar nas condições preferidas. De formaideal, alguém poderia rigorosamente abordar a capacidade de carga nosSistemas Abertos agregados em um dia, o que também reduziria o potencialpara contaminação. Isto poderia ser alcançado empregando um inóculo ini-cial de 15% de capacidade de carga do Sistema Aberto agregado para umaespécie com uma taxa de crescimento de mais de 6 duplicações por dia(equivalente a uma duplicação de biomassa de célula aproximadamente acada 4 horas). Neste exemplo, imagine que as espécies crescem na mesmataxa em ambos Sistemas Fechados e Sistemas abertos, e que as espéciestambém atingem a mesma concentração de biomassa por área de unidadeem ambos Sistemas Fechados e Sistemas abertos. Agora, se os SistemasFechados ocupam 20% da Área de Terra total, então um inóculo de 15%para os Sistemas Abertos seria obtido removendo-se 75% da cultura do Sis-tema Fechado (isto é, 75% χ 20% = 15%). Empregando um inóculo de 15%nos Sistemas Abertos, a biomassa de célula dobraria para 30% nas primei-ras 4 horas, para 60% nas próximas 4 horas, e em menos que as próximas 4horas poderia alcançar 100% (isto é, sua capacidade de carga). Os Siste-mas Fechados serão restaurados para sua biomassa de pré-inoculação emaproximadamente a mesma quantidade de tempo. Os Sistemas Fechadoscontêm somente 25% da sua biomassa original após o inóculo ser removido;nas primeiras 4 horas isto dobra para 50% da biomassa original, e no se-gundo 4 horas, dobra novamente, este tempo para 100% da biomassa origi-nal. Neste exemplo, a capacidade de carga dos Sistemas Abertos é alcan-çada dentro de um dia e, no mesmo dia, a biomassa dos Sistemas Fechadosé restaurada para o seu valor inicial. A taxa de crescimento exponencialmais elevada registrada para micróbios fotossintéticos é menor do que cercade 8 duplicações por dia (equivalente a uma duplicação a cada 3 horas), re-sultados ainda melhores poderiam ser alcançados em menos tempo comuma quantidade maior de inóculo inicial.

O método preferido, empregando uma espécie com uma taxa decrescimento maior do que cerca de 1,5 duplicação por dia, inoculando o Sis-tema Aberto com uma biomassa de pelo menos 5% de capacidade de carga,e colhendo a cultura antes de 5 dias após a inoculação, garante um teor deóleo relativamente elevado. Também garante que a cultura de Sistema Aber-to não será significantemente contaminada, uma vez que décadas de expe-riência mostram que as culturas de Sistema Aberto normalmente levam maisdo que 5 dias - normalmente várias semanas - para serem contaminadas porespécies indesejadas.

Para praticar o método preferido é necessário primeiro determi-nar a capacidade de carga do Sistema Aberto. A capacidade de carga para amaior parte das espécies fornecida com nutrientes em excesso em um am-biente de fluxo turbulento geralmente é na faixa de cerca de 100 a 500 gra-mas de peso seco por metro quadrado de Área Iluminada. As variações nes-ta faixa dependerão principalmente da intensidade de luz, mais especifica-mente da energia de luz diária total do sol, como o fator limitante. Por exem-plo, a "irradiação" total (energia da luz do sol) em um dia ensolarado é apro-ximadamente duas vezes tanto quanto é em um dia nublado. A diferençacorrespondente na capacidade de carga seria aproximadamente a mesma,isto é, cerca de um fator de dois. Além disso, a irradiação média é maior nostrópicos, e diminui em latitudes mais altas. Por exemplo, a irradiação médiaem Honolulu tropical é cerca de 40% maior do que em Nova Iorque, e cercade 2 vezes maior do que no Alasca do norte. Conseqüentemente, a capaci-dade de carga média no Alasca seria somente a metade daquela no Havaí.A maior irradiação do ano ocorre no dia mais longo do ano. Ao norte ou suldos trópicos, isto acontece no primeiro dia de verão (o solstício de verão). Aoequador, a irradiação máxima diária acontece duas vezes por ano, quando osol passa diretamente no céu no primeiro dia da primavera (o equinócio deprimavera) e mais uma vez no primeiro dia de outono (o equinócio de outo-no). Em outro lugar nos trópicos, o máximo que irradiação diária tambémacontece duas vezes por ano, em alguns lugares entre os equinócios deprimavera e outono.

A capacidade de carga de um sistema para uma espécie dese-jada de micróbio fotossintético deveria ser determinada empiricamente comosegue. Se os Sistemas Abertos na facilidade de produção tiverem dimen-sões diferentes, então o cálculo de capacidade de carga deveria ser deter-minado para cada conjunto de sistemas que têm dimensões diferentes. Pre-ferivelmente, a determinação de capacidade de carga deveria ser realizadaem cerca de 15 dias do tempo quando a irradiação diária está em seu máxi-mo anual. O Sistema Aberto deveria ser inoculado com um volume de cultu-ra fornecido pelos Sistemas Fechados, e o Sistema aberto preencheu apro-ximadamente a capacidade operacional padrão com meio de nutriente. Asconcentrações de macronutriente (isto é, nitrogênio e fósforo inorgânico) de-veriam ser fornecidas em excesso, definidas demonstrando-se que uma vezque a biomassa no Sistema Aberto alcançou seu máximo, os macronutrien-tes ainda estarão presentes em concentrações mensuráveis (os micróbiosnão terão comido toda a comida). Após a inoculação, as medições da bio-massa do Sistema Aberto deveriam ser feitas medidas pelo menos váriasvezes por dia até tal tempo quando a biomassa não aumente. A biomassa àqual o aumento cessa é a capacidade de carga. A determinação deveria serrepetida pelo menos várias vezes durante o período especificado, e a médiadestas determinações calculada para definir a capacidade de carga máxima.

A presente invenção foi descrita com respeito às modalidadesatualmente preferidas descritas aqui, porém aqueles versados na técnicaapreciarão que possa haver outras modalidades que se incluem no espírito eescopo da invenção. Desse modo a invenção não está limitada pelo o que édescrito na especificação, porém é somente limitada pelas reivindicações.Por exemplo, esta invenção pode ser praticada com tipos diferentes de Sis-temas Abertos e Sistemas Fechados. Além disso, esta invenção pode serpraticada com micróbios fotossintéticos com taxas de crescimento e capaci-dades de carga amplamente variadas, e não está limitado àquelas espéciesque são cultivadas para seu teor de óleo, porém também pode incluir espé-cies que acumulam outros produtos de valor em culturas em batelada, querou não eles tenham atingido uma taxa máxima de produção de biomassa oueles tenham deixado de crescer.

Aplicabilidade Industrial.

Esta invenção pode ser empregada sempre que desejado paraproduzir qualquer espécie específica de micróbio fotossintético em um Sis-tema Aberto ao mesmo tempo em que evitando a contaminação substancialatravés de espécies indesejadas. A biomassa desse modo produzida de mi-cróbios fotossintéticos pode ser empregada então como uma carga de ali-mentação renovável para fabricar produtos que agora contam quase exclusi-vamente com cargas de alimentação derivadas de depósitos de fóssil decarbono, isto é carvão, óleo e gás. Por exemplo, a fração de óleo de micró-bios fotossintéticos pode ser extraída e quimicamente convertida para com-bustível de transporte, tal como biodiesel, ou para lubrificantes. Alternativa-mente, a carga de alimentação de biomassa pode ser empregada em umprocesso tal como gaseificação de leito fluidizado, pirólises, ou gaseificaçãode fluxo arrastado, da qual o material resultante pode ser empregado suces-sivamente para fabricar combustíveis de transporte tal como biodiesel ouéter de dimetila, ou substâncias químicas de volume tal como metanol ouálcoois misturados ou, quanto ao assunto, qualquer produto que use com-bustíveis fósseis como um material de partida ou carga de alimentação. Adi-cionalmente, os produtos residuais contendo carbono de quaisquer dos pro-cessos acima poderiam produzir energia adicional por métodos tal como di-gestão anaeróbica, que produz metano (gás natural), ou co-queima com ou-tros combustíveis em uma usina de energia para produzir eletricidade.

Claims (20)

1. Processo para cultivo de micróbios fotossintéticos, compreen-dendo:selecionar uma espécie de micróbio fotossintético capaz de du-plicar-se em biomassa em aproximadamente 16 horas ou menos quandosuprido com dióxido de carbono suficiente em um sistema aberto que temuma capacidade de transporte;introduzir a referida espécie em um sistema fechado;permitir a referida espécie desenvolver-se em um sistema fe-chado em uma biomassa que excede 5% da referida capacidade de trans-porte do sistema aberto;inocular uma biomassa inicial da referida espécie que não é me-nor do que 5% da referida capacidade de transporte do referido sistema fe-chado no referido sistema aberto;suprir o dióxido de carbono no referido sistema aberto continua-mente, para suprir dióxido de carbono suficiente nos referidos micróbios epara substituir o dióxido de carbono removido pelos referidos micróbios; emanter a referida espécie no referido sistema aberto para dupli-car-se em biomassa aproximadamente a cada 16 horas ou menos duranteum período menor do que 5 dias.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que o referidomicróbio fotossintético é selecionado do grupo consistindo em bactérias, cia-nobactérias e algas.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que a referidaespécie duplica-se em biomassa no referido sistema aberto em uma taxaentre aproximadamente 1,5 duplicação por dia e até aproximadamente 8duplicações por dia.

4. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que a referidaespécie duplica-se em biomassa no referido sistema aberto em uma taxaentre pelo menos uma vez a cada 16 horas e até uma vez a cada 3 horas.

5. Processo de acordo com a reivindicação 4, também compre-endendo remover substancialmente tudo da referida espécie do referidosistema aberto em mais de 5 dias após a referida etapa de inoculação.

6. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que a referidaetapa de manutenção é realizada de modo que o desenvolvimento da referi-da espécie seja limitado pela disponibilidade de dióxido de carbono.

7. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que a referidaetapa de manutenção é realizada até após a referida espécie ter alcançadoaproximadamente 90% da referida capacidade de transporte.

8. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que a referidaetapa de suprimento é realizada empregando-se gás de chaminé de umafonte selecionada do grupo consistindo na queima de um diesel de fóssil, naprodução industrial de químicos, ou na extração de diesel de fósseis de de-pósitos geológicos de diesel de fósseis.

9. Processo para sintetização de óleo, compreendendo:selecionar uma espécie de micróbio fotossintético que duplica-seem biomassa em aproximadamente 16 horas ou menos quando suprido comdióxido de carbono suficiente em um sistema aberto que tem uma capacida-de de transporte;introduzir a referida espécie em um sistema fechado;cultivar a referida espécie no referido sistema fechado até a refe-rida espécie desenvolver-se em uma biomassa que excede 5% da referidacapacidade de transporte do sistema aberto;inocular uma biomassa inicial da referida espécie que não é me-nor do que 5% da referida capacidade de transporte do referido sistema fe-chado no referido sistema aberto;suprir o dióxido de carbono no referido sistema abertocontinuamente, para suprir dióxido de carbono suficiente nos referidos mi-cróbios e para substituir o dióxido de carbono removido pelos referidos mi-cróbios; emanter a referida espécie no referido sistema aberto para dupli-car-se aproximadamente a cada 16 horas ou menos durante um períodomenor do que 5 dias até a referida espécie atingir aproximadamente 90% dareferida capacidade de transporte.

10. Processo para cultivo de micróbios fotossintéticos, compre-endendo:selecionar um micróbio fotossintético que tem uma taxa de de-senvolvimento de pelo menos aproximadamente uma duplicação a cada 16horas quando suprido com dióxido de carbono suficiente em um sistemaaberto tendo uma capacidade de transporte;cultivar o referido micróbio em um sistema fechado; inocular umsistema aberto com uma quantidade dos referidos micróbios do referido sis-tema fechado igual a aproximadamente 5% ou mais da referida capacidadede transporte;suprir o dióxido de carbono no referido sistema aberto continua-mente, para suprir dióxido de carbono suficiente nos referidos micróbios epara substituir o dióxido de carbono removido pelos referidos micróbios;manter os referidos micróbios no referido sistema aberto paracrescerem pelo menos na referida taxa de desenvolvimento, ecolher os referidos micróbios do referido sistema aberto menosdo que aproximadamente 5 dias após a referida etapa de inoculação.

11. Processo de acordo com a reivindicação 10, também com-preendendo:manter o referido sistema aberto; desse modo o desenvolvimen-to dos referidos micróbios é limitado pela disponibilidade de dióxido de carbono.

12. Processo para criar estoque de alimentação de biomassa,compreendendo:selecionar uma espécie de micróbio fotossintético que duplica-seem biomassa em aproximadamente 16 horas ou menos quando suprido comdióxido de carbono suficiente em um sistema aberto que tem uma capacida-de de transporte;introduzir a referida espécie em um sistema fechado até a referi-da espécie desenvolver-se em uma biomassa que excede 5% da referidacapacidade de transporte;inocular uma biomassa inicial da referida espécie que não é me-nor do que 5% da referida capacidade de transporte do referido sistema fe-chado no referido sistema aberto;suprir o dióxido de carbono no referido sistema aberto continua-mente, para suprir dióxido de carbono suficiente para a referida espécie epara substituir dióxido de carbono removido pela referida espécie; emanter a referida espécie no referido sistema aberto para dupli-car-se aproximadamente a cada 16 horas ou menos durante um períodomenor do que 5 dias para criar um estoque de alimentação de biomassa.

13. Processo para usar o gás de chaminé, compreendendo:selecionar uma espécie de micróbio fotossintético que duplica-seem biomassa em aproximadamente 16 horas ou menos quando suprido comdióxido de carbono suficiente em um sistema aberto que tem uma capacida-de de transporte;introduzir a referida espécie em um sistema fechado;suprir o referido gás de chaminé no referido sistema fechado;permitir a referida espécie desenvolver-se em um sistema fecha-do e usar o referido gás de chaminé para desenvolver-se em uma biomassaque excede 5% da referida capacidade de transporte do sistema aberto;inocular uma biomassa inicial da referida espécie que não é me-nor do que 5% da referida capacidade de transporte do referido sistema fe-chado no referido sistema aberto;suprir o referido gás de chaminé no referido sistema aberto con-tinuamente, para suprir dióxido de carbono suficiente para a referida espéciee substituir dióxido de carbono removido pela referida espécie, emanter a referida espécie no referido sistema aberto para dupli-car-se em biomassa aproximadamente a cada 16 horas ou menos duranteum período menos do que 5 dias.

14. Processo para sintetização de óleo, compreendendo:Selecionar os micróbios fotossintéticos que duplicam-se em bi-omassa em aproximadamente 16 horas ou menos quando suprido com dió-xido de carbono suficiente em um tanque aberto tendo uma capacidade detransporte;Injetar os gases de chaminé tendo concentrações de dióxido decarbono de pelo menos 3,5% em um fotobiorreator tendo uma profundidadede cultura máxima de aproximadamente 20 centímetros, em que os referidosgases de chaminé são selecionados da fonte consistindo em queima de umdiesel de fóssil, produção industrial de químicos, refino de óleo e gás, e ex-tração geológica de diesel de fósseis;introduzir referidos micróbios no referido fotobiorreator;prover os referidos micróbios com nutrientes suficiente no referi-do fotobiorreator para evitar que os nutrientes sejam um fator Iimitante paradesenvolvimento;mistura turbulenta dos referidos micróbios através do referidofotobiorreator, por meio do qual os referidos micróbios sofrem desenvolvi-mento exponencial contínuo no referido fotobiorreator;inocular uma biomassa inicial dos referidos micróbios que não émenor do que 5% da referida capacidade de transporte do referido tanqueaberto do referido fotobiorreator fechado no referido tanque aberto;suprir o dióxido de carbono no referido sistema aberto continua-mente, para suprir dióxido de carbono suficiente nos referidos micróbios parasubstituir dióxido de carbono removido pelos referidos micróbios; emanter referidos micróbios no referido tanque aberto com ele-vadas concentrações de nutriente durante mais 5 dias, por meio do qual ascondições iniciais de intensidade elevada de luz e elevadas concentraçõesde nutriente favorecem o desenvolvimento exponencial contínuo durante umcurto período, porém em que o desenvolvimento torna-se limitado pela dis-ponibilidade de nitrogênio que inibe a síntese de proteína, por meio da qual oconteúdo de óleo é aumentado.

15. Processo para biossíntese de óleo, compreendendo:selecionar os micróbios fotossintéticos que duplicam-se em bio-massa em aproximadamente 16 horas ou menos quando suprido com dióxi-do de carbono suficiente em um tanque aberto tendo uma capacidade detransporte;dissolver gases de chaminé tendo concentrações de dióxido decarbono de pelo menos 3,5% em um meio de cultura em um fotobiorreatortendo uma profundidade de cultura máxima de aproximadamente 20 centí-metros, em que os referidos gases de chaminé são selecionados de umafonte selecionada do grupo consistindo na queima de um diesel de fóssil,produção industrial de químicos, refino de diesel de fósseis, e extração geo-lógica de diesel de fósseis;introduzir referidos micróbios no referido meio no referido fotobi-orreator;prover os referidos micróbios com nutrientes suficiente no referi-do meio para evitar que os nutrientes sejam um fator Iimitante para desen-volvimento; mistura turbulenta dos referidos micróbios no referido meio atra-vés do referido fotobiorreator para fornecer uma distribuição substancialmen-te homogênea dos referidos micróbios no referido meio, por meio do qual osreferidos micróbios sofrem desenvolvimento exponencial contínuo no referi-do fotobiorreator;inocular uma biomassa inicial dos referidos micróbios que não émenor do que 5% da referida capacidade de transporte do referido tanqueaberto do referido fotobiorreator fechado no referido tanque aberto;suprir os gases de chaminé tendo concentrações de dióxido decarbono de pelo menos 3,5% no referido tanque aberto continuamente, parasuprir dióxido de carbono suficiente nos referidos micróbios e para substituiro dióxido de carbono removido pelos referidos micróbios, em que referidosgases de chaminé são selecionados de uma fonte selecionada do grupoconsistindo na queima de um diesel de fóssil, produção industrial de quími-cos, refino de diesel de fósseis, e extração geológica de diesel de fósseis; emanter os referidos micróbios no referido tanque aberto com e-Ievadas concentrações de nutriente durante mais 5 dias, por meio do qual ascondições iniciais de intensidade elevada de luz e elevadas concentraçõesde nutriente favorecem desenvolvimento exponencial contínuo durante umcurto período, porém em que o desenvolvimento torna-se limitado pela dis-ponibilidade de nitrogênio que inibe a síntese de proteína, por meio da qual oconteúdo de óleo é aumentado.

16. Processo para sintetizar biomassa em uma área de terra,compreendendo:selecionar os micróbios fotossintéticos que duplicam-se em bio-massa em aproximadamente 4 horas ou menos quando suprido com dióxidode carbono suficiente em um tanque aberto tendo uma capacidade de trans-porte;introduzir referidos micróbios em um fotobiorreator tendo umaprofundidade de cultura máxima de aproximadamente 20 centímetros, emque referido fotobiorreator ocupa menos do que 20% da referida área de terra,prover os referidos micróbios com nutrientes suficiente no referi-do fotobiorreator para evitar que os nutrientes sejam um fator Iimitante paradesenvolvimento;mistura turbulenta dos referidos micróbios através do referidofotobiorreator, por meio do qual referidos micróbios sofrem desenvolvimentoexponencial contínuo no referido fotobiorreator;inocular uma biomassa inicial dos referidos micróbios que não émenor do que 15% da referida capacidade de transporte do referido fotobior-reator no referido tanque aberto, em que o referido tanque ocupa mais doque 80% da referida área de terra;suprir o dióxido de carbono no referido tanque aberto continua-mente, para suprir dióxido de carbono suficiente nos referidos micróbios umpara substituir dióxido de carbono removido pelos referidos micróbios; emanter referidos micróbios no referido tanque aberto com eleva-das concentrações de nutriente durante mais 1 dia, por meio do qual as con-dições iniciais de intensidade elevada de luz e elevadas concentrações denutriente favorecem o desenvolvimento exponencial contínuo durante umcurto período, porém em que o desenvolvimento torna-se limitado pela luzdevido à proliferação celular.

17. Processo para biossíntese de óleo, compreendendo:selecionar os micróbios fotossintéticos que duplicam-se em bio-massa em aproximadamente 16 horas ou menos quando suprido com dióxi-do de carbono suficiente em um tanque aberto tendo uma capacidade detransporte;dissolver gases de chaminé tendo concentrações de dióxido decarbono de pelo menos 3,5% em um meio de cultura em um fotobiorreatortendo uma profundidade de cultura máxima de aproximadamente 20 centí-metros, em que referidos gases de chaminé são selecionados de uma fonteselecionada do grupo consistindo na queima de um diesel de fóssil, produ-ção industrial de químicos, refino de diesel de fósseis, e extração geológicade diesel de fósseis;introduzir referidos micróbios no referido meio no referido fotobi-orreator;prover os referidos micróbios com nutrientes suficiente no referi-do meio para evitar que os nutrientes sejam um fator Iimitante para desen-volvimento; mistura turbulenta dos referidos micróbios no referido meio atra-vés do referido fotobiorreator, por meio do qual os referidos micróbios sofremdesenvolvimento exponencial contínuo no referido fotobiorreator;inocular uma biomassa inicial dos referidos micróbios que não émenor do que 5% da referida capacidade de transporte do referido tanqueaberto do referido fotobiorreator fechado no referido tanque aberto;suprir o dióxido de carbono no referido tanque aberto continua-mente, para suprir dióxido de carbono suficiente nos referidos micróbios parasubstituir dióxido de carbono removido pelos referidos micróbios; emanter os referidos micróbios no referido tanque aberto com e-Ievadas concentrações de nutriente durante mais 5 dias, por meio do qual ascondições iniciais de intensidade elevada de luz e elevadas concentraçõesde nutriente favorecem desenvolvimento exponencial contínuo durante umcurto período, porém em que o desenvolvimento torna-se limitado pela dis-ponibilidade de nitrogênio que inibe a síntese de proteína, por meio da qual oconteúdo de óleo é aumentado.

18. Processo para sintetizar o estoque de alimentação de bio-massa, compreendendo:selecionar os micróbios fotossintéticos que duplicam-se em bio-massa em aproximadamente 4 horas ou menos quando suprido com dióxidode carbono suficiente em um tanque aberto tendo uma capacidade de transporte;dissolver gases de chaminé tendo concentrações de dióxido decarbono de pelo menos 3,5% em um meio de cultura em um fotobiorreatortendo uma profundidade de cultura máxima de aproximadamente 20 centí-metros, em que referidos gases de chaminé são selecionados de uma fonteselecionada do grupo consistindo na queima de um diesel de fóssil, produ-ção industrial de químicos, refino de diesel de fósseis, e extração geológicade diesel de fósseis;introduzir referidos micróbios no referido meio no referido fotobi-orreator;prover os referidos micróbios com nutrientes suficiente no referi-do meio para evitar que os nutrientes sejam um fator Iimitante para desen-volvimento;mistura turbulenta dos referidos micróbios no referido meio atra-vés do referido fotobiorreator, por meio do qual referidos micróbios sofremdesenvolvimento exponencial contínuo no referido fotobiorreator;inocular uma biomassa inicial dos referidos micróbios que não émenor do que 15% da referida capacidade de transporte do referido tanqueaberto do referido fotobiorreator fechado no referido tanque aberto;suprir o dióxido de carbono no referido tanque aberto continua-mente, para suprir dióxido de carbono suficiente nos referidos micróbios parasubstituir dióxido de carbono removido pelos referidos micróbios; emanter referidos micróbios no referido tanque aberto com eleva-das concentrações de nutriente durante mais 1 dia, por meio do qual as con-dições iniciais de intensidade elevada de luz e elevadas concentrações denutriente favorecem o desenvolvimento exponencial contínuo durante umcurto período, porém em que o desenvolvimento torna-se limitado pela luzdevido à proliferação celular.

19.

Dispositivo para cultivar os micróbios fotossintéticos em umaárea de terra, compreendendo:um ou mais vasos de cultura transparentes à luz visível, cadavaso de cultura fornecendo uma profundidade de cultura de mais 40 centí-metros, em que os referidos vasos de cultura abrangem uma área de terrada referida área de terra e porções da referida área de terra entre os referi-dos vasos de cultura define uma área inerte;um meio de nutriente em cada um dos referidos vasos de cultu-ra, em que o referido fluxo turbulento é suficientemente baixo para prevenircisalhamento mecânico de células danificadas, os referidos vasos de cultura,o referido meio de nutriente e o referido fluxo turbulento destinam-se a definirum ou mais fotobiorreatores;em que a referida área de terra e a referida área inerte não ocu-pam mais do que 20% da referida área de terra; eum ou mais tanques, cada um tendo uma capacidade de trans-porte, que juntamente não ocupam menos do que 80% da referida área deterra; por meio do qual uma biomassa de micróbios compreendendo pelomenos 5% da referida capacidade de transporte para cada um dos referidostanques abertos poder ser inoculados a partir dos referidos fotobiorreatoresnos referidos tanque aberto.