BRPI0720662A2 - Fotobiorreatores de sistema fechado e método de produção de biocombustível - Google Patents

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BRPI0720662A2
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chambers
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chamber
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BRPI0720662-3A
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Bryan Willson
Guy Babbitt
Christopher Turner
Peter Letvin
Kristina Weyer-Geigel
Anna Ettinger
Amy Boczon
Nicholas Rancis
James Murphy
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Solix Biofuels Inc
Univ Colorado State Res Found
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Description

"Fotobiorreatores de Sistema Fechado e Método de Produção de Biocombustível" Relatório Descritivo Pedidos Correlatos
Este Pedido é uma continuação do Pedido de Patente US
11/871.728, depositado em 12 de outubro de 2007, e reivindica o benefício do Pedido Provisório de Patentes 60/877.997, depositado em 20/12/06; 60/878.506, depositado em 3/1/07 e 60/894.082, deposi- tado em 9/3/07, cujo texto de cada um é aqui incorporado por referên- cia.
Campo da Invenção
A presente invenção ciz respeito a métodos e equipamento para fotobiorreatores de sistema fechado altamente escalável de alta densidade, econômico, para cultivo de algas para suportar a produção de biodiesel e outros biocombustíveis. Em modalidades preferidas, a construção do fotobiorreator é projetada para otimizar a utilização de luz solar para suportar o crescimento algáceo. Outras modalidades dizem respeito a elementos do sistema de fotobiorreator projetados para otimizar o controle de temperatura do sistema, maximizar a densidade e produtividade algácea e minimizar os custos de materiais componentes do fotobiorreator, construção e operação.
Antecedentes
A confiança nos combustíveis fósseis para energizar as redes de transporte e de eletricidade está causando múltiplas e simul- tâneas crises de energia. O carvão, o óleo e o gás natural contribuem todos para o aquecimento global e a mudança do clima, ao mesmo tempo em que criam instabilidade geopolítica e insegurança energética. Recentemente, muitos países desenvolvidos e em desenvolvimento viraram-se para os biocombustíveis para resolver esses problemas.
Infelizmente, obter biocombustíveis a partir de fontes vege- tais apresenta os seus próprios dilemas. Qualquer acre semeado para colheitas de energia tem probabilidade de suplantar um acre de colhei- tas de alimentos, o que, por sua vez, ocasiona uma subida no custo das matérias-primas dos alimentos básicos. A agricultura utiliza uma quantidade significativa de energia, muita da qual é suprida na forma de combustíveis fósseis, baixando, deste modo, o balanço global de carbono de colheitas de biocombustíveis. Além disso, os rendimentos da maior parte de colheitas de maior energia são bastante pequenos. Um acre de milho produz apenas cerca de 1.323 litros (350 galões) de etanol por ano, ao passo que um acre de soja pode produzir mais ou menos 189 litros (50 galões) de biodiesel por ano. Finalmente, o uso da terra agrariamente marginal para cultivar colheitas de energia é limita- do pela falta de água suficiente disponível para suportar o crescimento vegetal.
Um biocombustível que pode ser cultivado rendosamente em terras de outra forma não utilizáveis com entrada de energia mínima é necessário para conversão para uma infra-estrutura de energia sustentável. Nenhuma colheita tradicional de terra apresenta uma solução completa. Contudo, as microalgas sustentam a promessa de resolver cada um dos fatores limitativos dos biocombustíveis. Os fotobiorreatores de sistema fechado podem ser suportados em terras de outra forma não utilizáveis, limitando a competição com colheitas de alimentos e minimizando as perdas da água devido à evaporação. Os rendimentos de biocombustíveis a partir de algas podem exceder potencialmente os rendimentos de colheitas de solos em ordens de magnitude (ver, por exemplo, Natl. Renewal Energy Laboratory, "A Look back at the U. S. Department of Energy's Aquatic Species Program: Biodiesel from Algaé' (Uma Olhada no Departamento dos Estados Unidos de Programa de Espécies Aquáticas da Energia: Biodiesel a Partir de Algas), NREL/TP-580-24190, julho de 1998). O crescimento de célula algáceas pode repor rapidamente o material extraído, prome- tendo uma colheita durante o ano todo. Como um bônus adicional, as microalgas podem utilizar os gases de escape ricos em dióxido de carbono de plantas de energia de combustíveis fósseis e outros gases de exaustão industrial, diminuindo, deste modo, a quantidade de gases de estufa expelidos para a atmosfera a partir de plantas de energia, cerve- jarias, estabelecimentos vinícolas e semelhantes.
Por enquanto, não existe nenhuma fazenda de microalgas em escala comercial construídas com a finalidade de produzir biocom- bustíveis. Os fotobiorreatores industriais tradicionais ainda não conse- guem repetir as altas densidades de células em fotobiorreatores na escala laboratorial. A fim de produzir colheitas de energia a partir de microalgas numa base competitiva com o petróleo fóssil, culturas extremamente densas devem ser cultivadas dentro dos fotobiorreatores, que tiram a vantagem máxima da luz solar disponível. Além disso, os materiais usados para construir estes fotobiorreatores devem ser tornados de custo efetivo. Os fotobiorreatores fechados tradicionais, feitos de componentes caros de vidro e de aço e bombas complexas e sistemas de distribuição de fluxos não alcançarão metas de custos de biocrus que sejam competitivos com os combustíveis fósseis. Esses sistemas também são deficientemente escaláveis a partir de unidades de bancada de laboratório para a produção em escala comercial (por exemplo, Grima e colaboradores, J. Applied Phycology 12:355-68, 2000). Existe uma necessidade no campo de fotobiorreatores de siste- mas econômicos, eficientes fechados que sejam capazes de cultivar culturas algáceas de alta densidade, projetadas para otimizar a utiliza- ção da luz solar e produzir biocombustíveis a um ponto de preço que seja competitivo com os combustíveis fósseis.
Sumário da Invenção
A presente invenção satisfaz uma necessidade não resolvida na técnica proporcionando métodos, equipamento e composições para um fotobiorreator de sistema fechado econômico, eficiente que seja capaz de cultivar culturas algáceas de alta densidade, projetadas para otimizar a utilização da luz solar e produzir biocombustíveis a um custo que seja competitivo com os combustíveis fósseis. O fotobiorreator também pode ser usado para produzir outros produtos que não com- bustível tais como proteínas, amido, outros carboidratos, vitaminas, carotenoides, xantófilos e materiais baseados em celulose.
Certas modalidades dizem respeito a projetos para um fotobiorreator aperfeiçoado Suportado em Água, de Área de Superfície Estendida de Luz Difusa, como examinado em detalhe abaixo. A pessoa qualificada perceberá que os projetos aqui descritos podem ser modifi- cados para otimizar características particulares do sistema e que todas essas modificações são consideradas dentro do escopo da presente invenção.
Em várias modalidades, o fotobiorreator pode compreender uma ou mais câmaras fechadas do fotobiorreator. De preferência, as câmaras são compreendidas de filmes plásticos baratos, flexíveis que podem, por exemplo, ser soldados a quente em conjunto para formar a(s) câmara(s) fechada(s) hermeticamente. O método de ligação não é limitativo e podem ser utilizados outros métodos de ligação conhecidos, tais como o uso de adesivos. Uma variedade de projetos de câmara é contemplada dentro do escopo da invenção. Contudo, num projeto preferido, as câmaras compreendem uma série de estruturas tubulares que são juntas na parte superior e na parte inferior para formar uma câmara contínua. As estruturas tubulares podem ser dispostas num conjunto ordenado de tubos geralmente paralelos e tubos individuais podem ser verticais ou alternativamente podem ser inclinados (semi- verticais) de cima para baixo. A disposição de elementos tubulares e a disposição da câmara dentro do fotobiorreator são, de preferência, projetadas para maximizar a exposição das algas nos tubos à luz difusa.
Os projetos alternativos podem compreender lâminas paralelas que são soldadas a quente ou de outra forma presas umas às outras numa série de soldas pontuais, que podem ser dispostas em colunas adjacentes num padrão de deslocamento. O espaço interno entre as lâminas forma canais que permitem que a circulação de bolhas de fluido e de ar em torno das soldas pontuais.
Noutras modalidades preferidas, a câmara do fotobiorreator pode compreender um ou mais tubos de ar de filme plástico na parte inferior da câmara. O tubo de ar pode ser projetado para alimentar bolhas de ar de pequenos diâmetros para dentro do meio de crescimen- tos das algas dentro da câmara. As bolhas podem proporcionar funções múltiplas, tais como mistura contínua do conteúdo da câmara, propor- cionando gás de CO2 para suportar o crescimento algáceo e limpando as superfícies plásticas da câmara para minimizar a adesão algácea ou outra bioincrustação. Este mecanismo de limpeza das superfícies da câmara também intensificará a transmissão de luz através das superfí- cies e aumentarão a eficiência fotossintética sob condições de luz ambiente.
Em modalidades de maior preferência, a câmara do fotobi- orreator pode ser submersa num reservatório de água para proporcio- nar suporte para a estrutura da câmara, assim como também para melhorar a regulação térmica do fluido dentro da câmara. Em algumas modalidades, o reservatório de água pode ser aquecido ou arrefecido, por exemplo, circulando água de arrefecimento através do reservatório, conectando uma unidade de bomba de calor ao reservatório de água, circulando gases de exaustão quentes ou água quente através do reservatório ou qualquer outro método conhecido de aquecimento ou arrefecimento de líquidos. Além disso, a grande massa de água dentro do reservatório de água funcionará propriamente como um escoadouro de calor para moderar as flutuações diurnas de temperatura. Em modalidades preferidas, o reservatório de água propriamente pode ser incluso, por exemplo, numa cobertura de plástico para reduzir a evapo- ração do reservatório de água.
Em algumas modalidades, a câmara do fotobiorreator pode compreender uma ou mais bolsas de ar no topo da câmara. Por exem- plo, num projeto tubular, um tubo que corre ao longo da parte superior da câmara e contínuo com os tubos dispostos vertical ou semi- verticalmente pode conter ar. A bolsa de ar pode ser utilizada para coletar oxigênio que é produzido pela fotossíntese algácea. De preferên- cia, o oxigênio, coletado pode ser provido a uma planta de energia vizinha para melhorar a eficiência da combustão, por exemplo, num processo de Ciclo Combinado de Gasificação Integrado (IGCC). A bolsa de ar pode também ser usada para coletar CO2 e/ou outros gases em excesso que possam ser espalhados através do meio líquido nos tubos, como discutido acima. Além disso, o canal de ar na parte superior da câmara suportará melhor a estrutura da câmara no reservatório de água proporcionando uma força flutuante na câmara.
Ainda outras modalidades compreendem mecanismos para bombear ou de outra forma circular algas e meio de crescimento através da câmara do fotobiorreator. É descrito abaixo um mecanismo de bombeamento preferido na forma, mas sem limitação, de uma bomba de deslocamento de ar de baixo torque.
Em várias modalidades, podem ser continuamente empre- gados vários subsistemas para monitorar e intensificar o desempenho do fotobiorreator. Várias condições internas e externas, tais como tem- peratura ambiente e da câmara do fotobiorreator, insolação solar, pH do meio de crescimento, densidade das células de algas, a concentração de vários nutrientes e produtos de rejeito no meio de crescimento e quais- quer outras condições podem ser monitoradas usando qualquer tecno- logia conhecida, tais como sondas, elétrodos e outro dispositivos de sensoriamento comercialmente disponíveis e um sistema de controlador de computador integrado. De preferência, a monitoração contínua das condições do fotobiorreator pode ser proporcionada para localizações remotas, por exemplo, proporcionando dados de monitoração em tempo real num sítio da Rede da Internet. Mecanismos de retroalimentação controlados por computador, tais como aquecimento, arrefecimento, sombreamento, ajuste do pH, entrada de nutrientes, fluxo de CO2 e vários outras funções de suporte podem ser automaticamente ajustadas ou alternativamente podem ser controladas por um operador.
Algas contendo lípidos e/ou carboidratos para síntese do
biodiesel, etanol ou outros biocombustíveis podem ser colhidas ou coletadas a partir do fotobiorreator por vários mecanismos alternativos. Em algumas modalidades, pode ser utilizado um sistema de colheita de fluxo contínuo em que uma proporção selecionada das algas na câmara é continuamente removida do sistema. Noutras modalidades, pode ser usado um sistema de processamento em batelada para coletar algas. As algas podem ser separadas a partir do meio de crescimento por uma variedade de técnicas conhecidas, tais como o uso de uma centrífuga de fluxo contínuo e/ou sistema de filtração. Em várias modalidades, uma cultura algácea de alta densidade pode ser desviada para uma câmara ou lago separado para vários tratamentos antes da colheita. Por exem- plo, as algas podem ser sujeitas a alguma forma de choque ambiental (temperatura, pH, luz, salinidade, concentração de um ou mais produ- tos químicos ou compostos regulatórios) para aumentar a produção de lípidos antes da colheita. Um modo simples de estimular passivamente a produção de lípidos é cultivar algas na densidade máxima das células com o pH controlado por CO2 e parar o controle de CO2 depois da exaustão do nitrogênio nos meios.
Qualquer espécie conhecida de algas ou microorganismos fotossintéticos pode ser cultivada no fotobiorreator. Em modalidades preferidas, Tetraselmis suecica, UTEX 2286 e NREL/Hawaii TETRA 01, Tetraselmis chuii, Nannochloropsis oculata UTEX 2164, CCMP 525, Nannochloropsis sp. UTEX 2341, Nannochloropsis salina NANNO 01 NREL/Hawaii, CCMP 1776,1777, 1776, Chlorella salina SAG 8.86, Chlorella prototheeoid.es UTEX 25, Chlorella ellipsoidea UTEX 20 ou várias cepas de IXinaliella tertiolecta (UTEX LB999, DCCBC5, ATCC 30929) e Dunaliella salina podem ser cultivadas separadamente ou como uma mistura de espécies. É antecipado que diferentes espécies algáceas podem ser selecionadas para crescimento, dependendo da temperatura ambiente, da intensidade da luz, da altitude, da estação, da posição geográfica, da salinidade da água ou de outros fatores.
Algumas modalidades podem dizer respeito a métodos, composições e/ou equipamento para converter componentes algáceos em biocombustíveis. A presente invenção não é limitada a nenhuma técnica específica para a produção de biocombustíveis, mas pode utilizar qualquer método conhecido de produção de biocombustíveis a partir de lípidos, carboidratos ou outros componentes de algas. (Ver, por exemplo, as Patentes US 5.354.878; 6.015.440; 6.712.867; 6.768.015; 6.822.105; 6.979.426 e 7.135.308.) Numa modalidade exemplificativa, triglicerídeos algáceos podem ser convertidos em biodiesel sem a separação ou extração inicial dos lípidos algáceos, como descrito no Pedido de Patente Provisório de número de série 60/952.443, intitulado "Continuous Alagai Biodiesel production Faci- lity" por Mark T. Machacek e Thomas Gordon Smith, depositado em 27 de julho de 2007, cujos conteúdos são aqui incorporados por referência.
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Breve Descrição de Desenhos/Figuras Os desenhos seguintes fazem parte do presente Relatório Descritivo e são incluídos para demonstrar melhor certos aspectos da presente invenção. A invenção pode ser melhor entendida por referên- cia a um ou mais destes desenhos em combinação com a descrição detalhada de modalidades específicas aqui apresentada.
Figura 1 - Esquema do sistema de fotobiorreator.
Figura 2 - A construção da câmara do fotobiorreator - juntando duas lâminas de filme plástico em conjunto com a seção de tubo de ar de filme plástico.
Figura 3(A) - Máquina de Solda de tubo e (B) padrão de
soldadura resultante
Figura 4(A) - Máquina de Solda em zigue-zague, (B) padrão de soldadura resultante e (C) seção ampliada.
Figura 5(A) - Diagrama de posições de orifícios de anteparo, (B) vista próxima da porta de placa e (C) vista próxima do anteparo.
Figura 6 - Colocação de soldas verticais nas extremidades
terminais.
Figura 7 - Tubo de plástico duro de entrada de ar e proce- dimento de inserção.
Figura 8 - Corte de plástico em excesso em todos os quatro
lados ao redor da câmara do fotobiorreator.
Figura 9 - Diagrama de solda térmica para juntar duas bolsas na parte superior.
Figura 10 - Diagrama de diferentes fios de sistemas de suporte (A), (B) diques térreos, (C) quadro interno, (D) estrutura de balão.
Figura 11 - Seção reta de câmara de fotobiorreator triangu- lar único em projeto de bolsa alternativa.
Figura 12 - Painel de fotobiorreator com projeto de tubo
reto.
Figura 13(A) - Seção reta de câmaras verticais de fotobior- reator ligadas à parte inferior do reservatório externo. (B) Diagrama de soldadura de câmaras verticais do fotobiorreator que podem ser ligadas à parte inferior do reservatório externo.
Figura 14 - Ilustração de projeto de câmara encovada do
fotobiorreator.
Descrição de Modalidades Ilustrativas Definições
Como aqui usado, "um" ou "uma" pode significar um ou mais de um de um item.
Conforme aqui usado, os termos "e" e "ou" podem referir-se ao conjuntivo ou ao disjuntivo e significam "e/ou".
Como aqui usado, "cerca de" significa dentro de mais ou menos 10% de um valor. Por exemplo, "cerca de 100" referir-se-ia a qualquer número entre 90 e 110.
Fotobiorreator
O especialista qualificado entenderá que os métodos, com- posições e equipamento discutidos aqui e nas seções seguintes são apenas exemplificativos e não significam serem limitativos para o escopo do objetivo do pedido reivindicado. Em particular, quaisquer dimensões, concentrações, composições, tempos, temperaturas e/ou outros números ou valores são apenas exemplificativos e ficará enten- dido que podem ser utilizados valores alternativos para cada um na prática da presente invenção e dentro do escopo do objeto do pedido reivindicado.
Várias modalidades da presente invenção dizem respeito a um fotobiorreator econômico altamente-escalável, projetado para cultivar microorganismos fotossintéticos a elevadas densidades. Em modalidades particulares, os microorganismos fotossintéticos são microalgas. A cultura algácea de alta densidade permite a produção econômica de biocombustíveis que são de custo competitivo com combustíveis de transporte baseado no petróleo. Maximizando a área de superfície exposta à luz difusa, a luz que atinge as superfícies do fotobiorreator é mais eficientemente utilizada. Submergindo a câmara inteira do fotobiorreator num reservatório de água, podem ser usados plásticos flexíveis econômicos e terão a sua estrutura suportada pela água externa e uma câmara de ar positivamente flutuante dentro da parte superior da câmara do fotobiorreator. Construindo aspersores de ar distribuidores de bolhas no fotobiorreator de filme plástico, é criada uma turbulência para misturar o conteúdo da câmara do fotobiorreator e permitir que o número máximo de células algáceas seja exposto à luz.
Um sistema de fotobiorreator fechado exemplificativo é mostrado na Figura 1. As câmaras fechadas do fotobiorreator (110) são circundadas por um reservatório de água (115). A água no reservatório (115) pode ser ativamente aquecida e arrefecida por um sistema de aquecimento (120) ou um sistema de arrefecimento (125) para manter uma certa faixa de temperatura ou ajustar o ponto por via da controla- dora localizada na caixa de controle (130). Manter ativamente a tempe- ratura deste modo pode provar ser de energia intensiva e mecanismos
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20 alternativos de aquecimento e arrefecimento podem ser utilizados, como discutido abaixo. Os microorganismos fotossintéticos dentro das câmaras do fotobiorreator (110) podem ser circulados através das câmaras do fotobiorreator usando uma bomba de baixo torque (135). O fluido nas múltiplas câmaras do fotobiorreator todas flui para um cabeçote comum (140) que alimenta a entrada da bomba de baixo torque por via da gravidade. A saída da bomba de baixo torque dirige, então, o fluido através de um sistema de filtração (145). Nesta localiza- ção, os metabolitos, as bactérias etc. podem ser removidos da cultura algácea, a fim de manter a saúde global da cultura. Antes a cultura algácea flua para dentro de outro cabeçote comum (150), passa por uma junção que suprirá meio fresco para o fluxo algáceo por via da estação de mistura de meios (155). Isto completa qualquer fluido que possa ter sido perdido durante o processo de filtração (145), a fim de manter um volume permanente no fotobiorreator. A cultura algácea, então, entra de novo nas câmaras fechadas do fotobiorreator (110). Existe também uma fonte filtrada de ar (160) que é combinado com uma fonte filtrada de CO2 (165) no cabeçote comum de ar (170). Esta mistura ar/CC>2 pode ser alimentada ao longo do comprimento inteiro das câmaras fechadas do fotobiorreator (110) por via de um tubo de filme soldado na parte inferior das câmaras do fotobiorreator. Este tubo de filme tem orifícios múltiplos que são nele cortados ou perfurados os quais permitem formar bolhas, comunicando, assim, esta mistura de gás aos meios algáceos. A pressão nas câmaras fechadas do fotobiorre- ator que resulta do gás borbulhante é regulada pelo regulador de pressão (175). O especialista qualificado perceberá que o sistema de fotobiorreator descrito na Figura 1 diz respeito a uma modalidade preferida e podem ser utilizados outros componentes e disposições alternativos do sistema de fotobiorreator dentro do escopo da matéria reivindicada.
Câmara do Fotobiorreator Os microorganismos fotossintéticos cultivados neste siste- ma são mantidos dentro de uma câmara fechada do fotobiorreator. Em modalidades preferidas, a câmara é compreendida de duas lâminas de filme plástico flexível que são mantidas em conjunto por soldas térmi- cas. Isto também pode compreender um tubo de metal laminado de plástico. Embora as dimensões da câmara do fotobiorreator possam variar, um exemplo não limitativo do tamanho da câmara é de 66 centímetros de altura interna e de 100 metros de comprimento. Os detalhes adicionais das câmaras exemplificativas do fotobiorreator são proporcionados no Exemplo 1 abaixo.
Como discutido no Exemplo 1, uma câmara exemplificativa do fotobiorreator pode compreender uma série de tubos contínuos, reunidos em conjunto no topo e na parte inferior e dispostos aproxima- damente paralelos uns aos outros. Em modalidades diferentes, os tubos podem ser inclinados de um ângulo com o chão ou alternativa- mente podem ser aproximadamente verticais. A câmara pode compre- ender também um tubo de ar na parte inferior da câmara que pode ser projetada para proporcionar um fluxo contínuo de bolhas de diâmetro pequeno para os tubos. As bolhas proporcionam de preferência dióxido de carbono para o meio e podem compreender um gás enriquecido de CO2, tal como o gás de chaminé a partir de uma planta de energia. A introdução de bolhas nos tubos pode servir também para esfregar os lados interiores dos tubos para minimizar a fixação de algas ou outros materiais de biofilme que podem interferir com a penetração de luz no meio de crescimento.
Em modalidades preferidas, a câmara pode ser submersa num reservatório de água para proporcionar regulação térmica melho- rada e suporte flutuante para a estrutura da câmara. Pode ser propor- cionado suporte estrutural adicional por uma ou mais bolsas de ar localizadas no topo da câmara. Pressão adicional pode ser proporcio-
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25 nada aumentando a pressão dentro dos tubos. As bolhas de ar intro- duzidas na parte inferior da câmara pelo tubo de ar subirão e agrupar- se-ão na parte superior da câmara, junto com o oxigênio que é criado pela fotossíntese. O ar na parte superior da câmara é, deste modo, enriquecido em oxigênio durante a luz do dia e pode ser coletado e usado para aumentar a eficiência de combustão, por exemplo, numa planta IGCC. Em modalidades de maior preferência, descritas no Exemplo 1, as câmaras do fotobiorreator podem ser fixadas em conjun- to aos pares. A disposição de câmaras emparelhadas em ângulo umas com as outras (Figura 10) proporciona suporte estrutural adicional ao sistema de fotobiorreator.
Bomba e Filtro
Quando preso ao sistema de fotobiorreator integrado, o tubo de saída de meios pode ser ligado a uma bomba de baixo torque. Vários exemplos de bombas de baixo torque são conhecidas na técnica, tais como bombas de deslocamento de ar, bombas de disfragma, bom- bas de deslocamento positivo e bombas centrífugas e podem ser obtidos a partir de fontes comerciais (por exemplo, Wanner Engineering, Minne- apolis, MN; PendoTech, Princeton, NJ; Levitronix, Waltham, MA; Graco, Minneapolis, MN).
Um filtro de membrana de fluxo transversal de baixo torque pode ser ligado ao tubo de saída de meio de crescimento da bomba. Este filtro separa as células (retido) do meio de crescimento (filtrado). É criado vácuo por uma bomba de ar sobre o filtro, que puxa o meio de crescimento para dentro da câmara de filtração. Uma bomba de líquido cria um diferencial de pressão ao longo do eixo transversal da câmara de filtração, através do qual se localiza uma membrana de filtração. Isto proporciona um mecanismo para criar uma unidade de filtração de meios de baixo torque que não prejudicará as frágeis membranas das células nem as paredes das células dos microorganismos fotossintéticos que estão sendo cultivados no fotobiorreator. Apenas uma fração do meio de crescimento pode ser filtrada em qualquer momento dado, embora o sistema possa ser configurado para filtrar tanto como 100 por cento do meio num período de 24 horas. A taxa de fluxo real da unida- de de filtração será ajustada de acordo com o nível permissível de stress da espécie desejada e/ou cepa(s) de microorganismo fotossintético a ser cultivado no fotobiorreator, a taxa de crescimento da espécie de alga particular e a taxa selecionada de colheita de células de algas.
Uma vez filtrado para fora do fotobiorreator, o meio de crescimento pode ser enviado para uma câmara de reciclagem em que é desinfetado e enviado através de um filtro para remover quaisquer partículas que pudessem de outra forma prejudicar o crescimento da cultura. O meio de crescimento usado pode ser ressuprido de quais- quer nutrientes esgotados antes de ser adicionado de volta para a câmara do fotobiorreator.
A unidade inteira de reciclagem de filtração / meio é configu- rada para re-injetar meios reciclados na mesma taxa a que o meio é filtrado, mantendo, deste modo, um nível fluido permanente dentro do painel do fotobiorreator.
Disposição de Painéis do Fotobiorreator
Cada painel do fotobiorreator descrito acima na Seção intitulada "Câmara do Fotobiorreator" pode ser ligado na sua parte superior a um painel de fotobiorreator idêntico e contíguo e na parte inferior a outro painel de fotobiorreator idêntico e contíguo. Os painéis ligados podem, então, ser ajustados em ângulo. Deste modo dois painéis ligados um ao outro na parte superior pode se assemelhar a um triângulo em vista em seção reta (Figura 9), com o ápice do triângulo sendo as partes superiores juntas. A estrutura da forma da câmara do fotobiorreator pode ser mantida pela presença da bolsa de ar no topo de cada painel de fotobi- orreator, assim como também através de outros métodos de suporte físico, tal como tensão sobre as paredes da câmara proporcionada por pressão ajustável dentro da câmara. Um método de suporte exemplifi- cativo não limita ti vo compreende um fio de metal (Figura 10A) bem amarrado tenso a partir de uma extremidade até a outra do sistema de fotobiorreator. Outro exemplo não limitativo é criar diques de terra sobre os quais cada painel é deitado (Figura 10B). Outro exemplo não limitativo é colocar um quadro triangular (Figura 10C), compreendido de metal, plásticos termocurados, concreto, tijolos ou qualquer outro material conhecido na técnica, sobre os quais o painel de fotobiorreator é deitado. Outro exemplo não limitativo é colocar um tubo fechado hermeticamente (Figura 10D), compreendido de laminado de plástico e enchido com ar diretamente debaixo do ápice dos dois fotobiorreatores fixados nas partes superiores.
Colocando os painéis do fotobiorreator em ângulo, a área da superfície fotossintética efetiva do sistema de fotobiorreator é estendida além da quantidade dada sobre a qual o sistema é instalado. Numa modalidade não limitativa, os painéis do fotobiorreator são colocados num ângulo de 60 a 90 graus do solo, estendendo, deste modo, a área de superfície dada. Estendendo a área de superfície a este ponto, o fotobiorreator pode, deste modo, crescer significativamente mais bio- massa sobre a mesma quantidade de terra do que um reator de placa plana pode crescer.
Um corolário de estender a área de superfície angulando os painéis dO fotobiorreator é que a luz se torna mais difusa, porque atinge os painéis num ângulo não direto. Isto ajuda no crescimento das microalgas, visto que um sistema de luz difusa é geralmente mais eficiente do que a luz direta concentrada para suportar a fotossíntese (por exemplo, Alton e colaboradores, Global Change Biology, 12:776-87, 2007; Smart J. Applied Ecology, 11:997-1006; 1974). Adicionalmente, o fenômeno da fotoinibição, em que a fotossíntese e o crescimento são anulados em resposta à luz direta excessiva, é diminuído em razão da difusão de luz.
Reservatório de Água
Os painéis do fotobiorreator dispostos em ângulo podem ser colocados em contato com um reservatório de água. Num exemplo não limitativo, as câmaras do fotobiorreator são submersas num reservató- rio de água de forma que a água externa preencha os espaços que circundam os painéis do fotobiorreator. Este reservatório externo pode servir a vários propósitos, incluindo a regulação da temperatura, suporte estrutural para os painéis do fotobiorreator ou difusão de luz.
Uma parede do perímetro externo pode circundar o sistema inteiro do fotobiorreator para manter o reservatório externo contido. Um material exempliíicativo não limitativo usado para a parede do perímetro seria terra socada, embora possa ser usado qualquer outro material conhecido na técnica, incluindo, mas sem limitação, madeira, concreto, cimento, tijolos, plásticos de termocura ou metal.
Uma vez que o panorama da parede do perímetro e do
reservatório tenha sido completado, um revestimento da parte inferior pode ser usado para cobrir a superfície inteira de terra dentro do fotobiorreator, para impedir a absorção da água do reservatório para o solo. Um material exempliíicativo não limitativo para este revestimento seria um filme plástico espesso, embora possa ser usado qualquer outro material conhecido, tal como concreto, cimento, plásticos de termocura, metal ou barro fechados hermeticamente.
Podem ser adicionados compostos biocidas à água do reservatório externo para assegurar que espécies de algas, bactérias, fungos ou micróbios contaminantes não infestem a água externa e, deste modo, diminuam a sua claridade óptica. Alternativamente, a água no reservatório de água externa pode ser filtrada através de uma unidade de filtração de taxa de fluxo elevada, de alto torque para remover quaisquer microorganismos contaminantes.
Controle da Temperatura
A água no reservatório externo proporciona uma massa térmica que ajuda a câmara do fotobiorreator a manter uma faixa de temperatura permanente favorável para a espécie e cepa do organismo fotossintético que está sendo cultivado no sistema do fotobiorreator. Para aquecer a água, pode ser adicionado calor de rejeito de baixo grau a partir uma fonte de calor industrial próxima, tal como uma planta de energia ou fábrica, ao reservatório externo. A água pode também ser diretamente aquecida usando um sistema de aquecimento externo que circule a água entre o aquecedor e o reservatório externo. Uma alterna- tiva para arrefecer a água no reservatório seria extrair água fria a partir de um corpo de água pré-existente tal como um lago, rio ou oceano. À medida que água nova, mais fria é adicionada ao reservatório externo, a água morna no reservatório é posta de volta para o corpo de água.
Um método não limitativo tanto para aquecer como arrefe- cer a água do reservatório externo seria executar isto através de tubos que foram cavados em baixo do sistema de fotobiorreator a um nível entre 1,2 metros e 120 metros abaixo da superfície do solo. A tempera- tura da terra dentro daquela faixa é normalmente ao redor de 26,6 graus Celsius (57 graus Fahrenheit). Este sistema pode ser usado tanto para arrefecer a água em dias quentes como para aquecê-la, quando a temperatura ambiente se tornar excessivamente baixa. De modo alternativo, uma bomba de calor poderia ser interfaceada com o sistema de fotobiorreator usando o diferencial de temperatura do dolo como
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20 escoadouro de calor.
Uma camada superior de plástico pode ser adicionada ao sistema de fotobiorreator, cobrindo o reservatório externo e os painéis do fotobiorreator. Esta camada superior pode compreender uma camada relativamente fina de filme plástico. Adicionando esta camada superior, as perdas de água de evaporação são minimizadas. Esta camada superior pode compreender duas camadas de filme plástico que são fechadas hermeticamente em conjunto e que podem ser infladas com ar quente ou frio, como um método de regulação térmica do sistema global. Adicionalmente, este ar pode compreender corantes ou fumaça artificial que, por descoloração do ar, podem reduzir a transfe- rência de calor a partir do ar atmosférico para o sistema do fotobiorrea- tor.
A camada superior pode também ser impreganada com um corante ou outro aditivo que bloqueie a parte de ultravioleta do espectro da luz, reduzindo o dano induzidos por UV aos microorganismos fotossintéticos e o filme plástico nos painéis do fotobiorreator. Alterna- tivamente, a camada superior pode compreender um revestimento ou ser impregnada com um corante ou outros aditivos que desloquem os comprimentos de onda de partes fotossinteticamente inativas do espec- tro da luz (por exemplo, verde) para ondas de luz fotossinteticamente ativas (vermelho ou azul). A camada superior pode também compreen- der um revestimento adicional ou ser impregnada de aditivos que bloqueiam a radiação infravermelha para reduzir a quantidade de calor que entra no sistema a partir da luz solar.
Em certas modalidades, um sistema de impulsores pode ser colocado na parte inferior do reservatório de água. Um material coloidal pode ser adicionado à água e deixado assentar na parte inferior do reservatório. À medida que o sol alcança o seu zênite, os impulsores podem ser ativados para criar turbulência na água do reservatório, suspendendo, deste modo, o material coloidal. O material, então, flocula lentamente de forma que bloqueia alguma da luz solar durante a parte mais brilhante do dia, reduzindo, assim, o dano às algas ou materiais do fotobiorreator a partir da luz solar e/ou calor excessivo direto. Este material coloidal pode ser compreendido, por exemplo, de um material de argila avermelhada que reflete principalmente a luz da parte infravermelha do espectro de luz. Deste modo, os efeitos adversos das elevadas temperaturas do meio-dia podem ser minimizados com uma entrada mínima de energia.
Controles e Sensores
Em modalidades preferidas, uma variedade de sensores que monitoram diferentes condições ambientais que podem impactar o crescimento algáceo pode ser localizada em portas de sensor em cada extremidade do painel de fotobiorreator. Os sensores de uso podem incluir sensores de dióxido de carbono dissolvido, sensores de oxigênio dissolvido, sensores da temperatura do fluido, unidades de captura de imagem, sensores de pH, sensores de turbidez espeto foto métricos, sensores de condutividade, sensores de sólidos dissolvidos e sensores fluorimétricos. A lista de sensores não é exclusiva e podem ser usados outros sensores conhecidos na técnica. Esses sensores conhecidos podem monitorar, por exemplo, a salinidade ou as concentrações de várias espécies iônicas, tais como cálcio, magnésio, fosfato, sódio, potássio, cloreto, nitrato etc.
Os sensores podem alimentar dados para uma unidade central de controle computadorizado que proporciona medidas ambien- tais instantâneas. Várias entradas no fotobiorreator (tais como meio de crescimento, dióxido de carbono, outros nutrientes, pressão do ar, taxa de fluxo da bomba, soluções ácidas ou alcalinas) podem ser ajustadas em resposta a medições ambientais selecionadas. Por exemplo, quando os níveis de pH sobem a um nível de alcalinidade que não é favorável ao crescimento do organismo fotossintético, pode ser adicionado dióxido de carbono adicional ao fluxo de ar para tornar o meio de crescimento mais ácido. Alternativamente, a acidez em excesso pode ser regulada diminuindo a entrada de CO2 ou adicionando uma base alcalina ao meio.
O ar bombeado para dentro do tubo de ar fechado hermeti- camente e aspergido na forma de bolhas através do painel do fotobior- reator pode ser compreendido de nitrogênio, ar ambiente, dióxido de carbono, gases de rejeito de processos industriais, gases de exaustão de combustão a partir de câmaras de combustão estacionária, gases de chaminé de plantas de energia ou qualquer outra fonte selecionada de gás. A proporção, a pressão e o pré-tratamento dos gases podem ser determinados pela escolha do microorganismo fotossintético a ser cultivado no sistema do fotobiorreator. O ar de exaustão que é bombe- ado para fora dos painéis do fotobiorreator, contendo uma alta concen- tração de oxigênio, pode ser armazenado em tanques externos. O oxigênio pode ser coletado e vendido para uso em outros processos industriais, tais como IGCC.
Projetos Alternativos de Câmaras do Fotobiorreator
Em modalidades alternativas, a câmara do fotobiorreator pode compreender duas camadas de um plástico flexível, por exemplo, polietileno. A camada superior pode ser dobrada num formato asseme- lhando a corrugação ("do estilo de acordeão"). Cada dobra no plástico é uma câmara separada do fotobiorreator (Figura 11). A camada superi- or dobrada pode ser presa a camada da parte inferior de plástico por solda térmica das duas camadas em conjunto, embora possa ser utilizado qualquer outro método de prender lâminas de plástico conhe- cido na técnica. Isto cria, a partir de uma vista em corte, uma série de protrusões ligadas a uma camada da parte inferior de plástico (Figura 11). Uma vez cheias com o meio de crescimento e circundado externa- mente de líquido, as protrusões assumem uma forma aproximadamente triangular que permanece relativamente rígida devido à igualdade de pressão nas áreas líquidas externas e internas. Outros formatos potenciais que podem ser formados, dependendo do material a ser usado e as dimensões escolhidas para uma localização e espécies específicas são retangulares, retilíneas, trapeizodais, em forma de cúpula e em forma de arcada. Além disso, um pequeno espaço de ar na parte superior de cada dedo de uma seção ou projeção do fotobiorreator proporciona uma tensão superior para a estrutura, devido à flutuação da bolsa de ar.
As dimensões do fotobiorreator podem variar de acordo com as condições ambientais do local específico e a espécie algácea ou cianobacteriana escolhida. As dimensões exemplificativas seguintes são dadas para colocação num deserto ou outra região árida onde, por exemplo, as espécies que estão sendo cultivadas são Nannochloropsis sp., Nannochloropsis oculata, Nannochloropsis salina, Tetraselmis suecica, Tetraselmis chuii, Chlorella protothecoides e Chlorella ellipsoidea e várias cepas de Dunaliella tertiolecta. Cada câmara do fotobiorreator pode ter uma altura de 20 centímetros (8 polegadas) (compreendendo uma altura de intervalo de ar de 2,5 centímetros (1 polegada) e uma altura de líquido de fotobiorreator de 17,5 centímetros (7 polegadas), uma largura de base de 5 centímetros (2 polegadas) e um comprimento de 100 metros. Neste projeto, as costuras de soldadura de fotobiorrea- tores de dedo contíguos tocam umas nas outras e a largura afunila a partir de cinco centímetros (duas polegadas) na base até 2,5 centíme- tros (uma polegada) no topo do dedo. Deste modo as câmaras do fotobiorreator assemelhar-se-iam a uma forma triangular em seção reta.
Uma modalidade alternativa para o projeto da câmara do fotobiorreator é criar soldas de tubo vertical, em vez de soldas de tubo diagonal, como ilustrado na Figura 12. O projeto vertical também adiciona rigidez à estrutura global da câmara do fotobiorreator.
Outra modalidade alternativa do projeto de fotobiorreator é criar painéis de câmaras do fotobiorreator de filme plástico que ficam verticais e perpendiculares à superfície da parte inferior do reservatório externo. Estas câmaras são ancoradas na superfície inferior por méto- dos que incluem, mas sem limitação, soldadura, pesos e laços de plástico. Estas câmaras compreendem duas camadas de filme plástico juntas para fazer um compartimento fechado. A flutuação positiva das bolhas de ar na parte superior destas bolsas mantém-nas de pé. Para estender este projeto horizontalmente, mais câmaras do fotobiorreator são colocadas numa fila, paralela à primeira câmara, como mostrado na Figura 13A.
Uma vantagem deste projeto é que o número de soldas
envolvidas é menor, reduzindo, deste modo, as chances de falha nas soldas, assim como também reduzindo os custos de fabrico. Além das soldas na parte superior, na parte inferior e nas laterais do painel, assim como também das soldas na parte superior e na parte inferior para o tubo de ar de aspersão, uma série de soldas intermitentes corre no comprimento da bolsa, como mostrado na Figura 13B.
Outra modalidade alternativa do projeto da câmara do fotobiorreator é juntar as duas lâminas de filme plástico na parte inferior, na parte superior e de ambos os lados e, então, saturar a câmara com uma estrutura rígida pelo uso de soldas de pontos alter- nantes através da superfície da bolsa, criando uma aparência de 'encovado', como ilustrado na Figura 14.
Outra vantagem deste projeto é que a ausência de soldas tubulares permite uma difusão maior da cultura através do sistema do fotobiorreator. Isto, por sua vez, cria um ambiente de cultivo mais saudável para os organismos.
Este projeto funcionaria de modo semelhante aos painéis descritos na primeira modalidade, embora tivessem menos soldas do que os tubos diagonais longos criados pelo projeto descrito na primeira modalidade. A colocação das covas de soldas de pontos pode propor- cionar impedimento para o movimento para cima das bolhas em eleva- ção, aumentando, deste modo, o tempo de residência das referidas bolhas e otimizando a permuta gasosa ou alternativamente pode ser usada para controlar a forma dos painéis quando cheios de meio.
Vantagens do Projeto
Durante a Inoculação
Em projetos de fotobiorreatores convencionais, o processo de inoculação pode deparar-se com vários problemas. Por exemplo, começar a cultura com um pequeno inóculo resulta numa probabilida- de maior de que a espécie inoculada selecionada venha a ser ultrapas- sada por bactérias, fungos, protozoários ou outras espécies de algas indesejáveis ou um dos problemas mais sérios durante a propagação das algas - a fotoinibição. Todavia, começar com um inóculo grande exige um berçário de fotobiorreator de crescimento muito grande e aumenta significativamente o custo do sistema.
Com um projeto de câmara do fotobiorreator flexível, as câmaras do fotobiorreator podem ser esvaziadas antes da inoculação de forma que assumam um volume menor. Neste estado, a adição de um baixo volume de inóculo proporciona uma concentração de partida proporcionalmente maior das algas desejadas no sistema. À medida que a cultura cresce e aumenta de densidade, meio de crescimento adicional pode ser adicionado às câmaras do fotobiorreator. Deste modo, as câmaras do fotobiorreator podem expandir, à medida que a cultura cresce. Em outras variações, o número de câmaras do fotobior- reator no sistema pode ser aumentado, à medida que a cultura cresce.
Isto pode ser importante durante a primeira fase do cresci- mento exponencial. As populações bióticas seguem em geral uma curva em S no crescimento da população, começando com uma fase de retardo à medida que se aclimatam ao seu novo ambiente, seguida de uma fase de crescimento exponencial, seguida de uma fase estacionária em que a densidade da população é mantida num nível relativamente permanente. Durante a fase de retardo inicial e a primeira parte da fase de crescimento exponencial, a cultura está em alto risco de ser ultrapssada por bactérias ou outra espécies não desejada. Deste modo, usar um reator de volume menor para começar o processo de inocula- ção e expandir o volume, à medida que a densidade da cultura aumenta pode assegurar que a espécie desejada domine o fotobiorreator. Uma vez as altas densidades tenham sido alcançadas, o risco de contamina- ção e competição a partir de outras espécies é muito mais baixo. Além disso, o ajuste da escala no volume da câmara do fotobiorreator, à medida que a população cresce, pode também servir para estender a fase de crescimento exponencial e demorar o início da fase estacionária, aumentando a produtividade da cultura algácea. Igualmente, as câmaras do fotobiorreator podem ser adicionadas uma de cada vez durante a fase de crescimento, a fim de maximizar as curvas de cresci- mento, à medida o sistema inteiro fica ascendente.
Microorganismos Fotossintéticos
O sistema de fotobiorreator é projetado para não ser depen- dente da espécie. Os ajustes, conformações, dimensões, subsistemas e conteúdo do sistema podem ser ajustados para permitir que muitos tipos de microorganismos fotossintéticos sejam cultivados. Um orga- nismo exemplificativo é Chlorella protothecoides, uma microalga verde não móvel que pode comutar entre modos fototrófico (fotossintético) e heterotrófico (alimentando-se numa fonte de carbono externa). Este microorganismo também tem a capacidade de acumular grandes quan- tidades de lípidos neutros dentro de seu citoplasma que podem ser usados como uma carga para a produção de biocombustíveis. Todavia, o especialista qualificado perceberá que muitas espécies de algas ou outros microorganismos fotossintéticos têm sido descobertos e caracte- rizados e que, em modalidades alternativas, quaisquer espécies conhe- cidas podem ser cultivadas no fotobiorreator para dar suporte à produ- ção de biocombustível. Espécies exempliflcativas não limitativas incluem Nannochloropsis sp., Nannochloropsis salina, Nannochloropsis oeculata Tetraselmis sueeiea, Tetraselmis ehuii .Botryeoecus braunii, Chlorella sp., Chlorella ellipsoidea, Chlorella emersonii, Chlorella minutis- sima, Chlorella protothecoid.es, Chlorella pyrenoidosa, Chlorella salina, Chlorella sorokiniana, Chlorella vulgaris, Chroomonas salina, Cyclotella eríptica, Cyclotella sp., Dunaliella salina, Dunaliella bardawil, Dunaliella tertioleeta, Euglena graeilis, Gymnodinium nelsoni, Haematoeoeeus pluvialis, Isoehrysis galbana, Monoraphidium minutum, Monoraphidium sp., Nannochloris sp., Neoehloris oleoabundans, Nitzsehia laevis, Onora- phidium sp., Pavlova lutheri, Phaeodaetylum trieornutum, Porphyridium eruentum, Seenedesmus obliquus, Seenedesmus quadrieaula Seenedes- mus sp., Skeletonema, Stichococcus baeillaris, Spirulina platensis ou Thalassiosira sp.
Tem sido desenvolvida uma variedade de meios de cresci- mento e é conhecida na técnica e podem ser utilizados em várias modalidades quaisquer desses meios de crescimento conhecidos, de preferência otimizados para a espécie selecionada de algas ou microor- ganismo. Numa modalidade exemplificativa, o meio de crescimento usado era uma versão modificada do meio de Guillard f/2 (Guillard, 1960, J. Protozool. 7:262-68; Guillard, 1975, em Smith e Chanley, Eds. Culture of Marine Invertebrate Animais, Plenum Press, Nova Iorque; Guillard e Ryther, 1962, Can. J. Microbiol. 8:229-39), contendo 22 g/L NaCl, 16 g/L Sal do Mar Sintético de Aquário (Instant Ocean Aquarium Salt, Aquarium Systems Inc., Mentor, OH), 420 mg/L NaNO3, 20 mg/L NaH2PO4 H2O, 4,36 mg/L Na2EDTA, 3,15 mg/L FeCl3-6H20, 180 pg/L MnCl2-4H20, 22 pg/L ZnSO4TH2O, 10 μg/L CuSO4SH2O, 10 pg/L CoC12-6H20, 6,3 10 pg/L Na2Mo04-2H20, 100 pg/L tiamina-HCl, 0,5 pg/L biotina e 0,5 pg/L vitamina B12. Este meio com uma adição em alguns casos de NaHCO3 ou tampão de Tris, com e sem vitaminas, com KNO3 em alguns casos em vez de NaNO3 foi usado para cultivar uma cultura de Nannochloropsis sp., Nannochloropsis oculata, Nannochlorop- sis salina, Tetraselmis suecica, Tetraselmis chuii, Chlorella salina, e várias cepas de Dunaliella tertiolecta. Outras composições de meios de uso para cultura de algas ou outros microorganismos são bem conheci- das mas não limitadas na técnica (ver, por exemplo, Provasoli e colabo- radores, Arehiv für Mikrobiologie 25:392-428, 1957; Harrison & Taylor, J. Phyeol 16:28-35, 1980; Keller e colaboradores, J. Phyeol 23:633-38, 1987).
As algas ou outros microorganismos cultivados no fotobior- reator podem ser colhidos na mesma unidade ou numa unidade de filtração de baixo torque e, então, transferidos para um reator de tensão separada que pode ou não ser exposto à luz. Esse biorreator de tensão pode ser colocado em bolsas debaixo dos painéis do fotobiorreator ou num biorreator separado externo ao sistema de fotobiorreator. Em certas modalidades, as algas ou outros microorganismos podem ser sujeitos a procedimentos que aumentam a produção de lípidos, antes da colheita e conversão em biodiesel. Por exemplo, com heterotrofos facultativos tais como Chlorella prototheeoid.es, um substrato de carbo- no pode ser adicionado às células, por exemplo, núcleos de milho secos no solo ou qualquer outra fonte não dispendiosa de carboidratos. Este substrato estimula a formação de lípidos neutros dentro das células, que podem, então, ser colhidos para a produção de biocombustíveis. Em outros casos, as algas podem ser sujeitas a condições de stress ambientais projetadas para intensificar a produção de lípidos, tais como fome de nitrogênio ou outras condições deficientes de nutrientes. A quantidade de nitrogênio em meios exauridos pode variar de 0 até 75% da quantidade normal, dependendo do meio usado e do tipo de algas a ser estress ado. Em modalidades alternativas, a exaustão de dióxido de carbono pode também ser usada para stress ar as algas. Para diferen- tes espécies algáceas, tipos ou combinações diferentes de fatores de tensão podem ser utilizados para intensificar a produção de lípidos.
Existem muitos outros fatores de tensão além da exaustão ou limitação de nitrogênio, tais como luz, temperatura, dióxido de carbono, fosfatos, ferro, NaCl, enxofre, sílica e molibdato. Outra moda- lidade é o reciclo e reposição de meios com meio de crescimento que contém uma quantidade limitada de composto(s) que contêm nitrogênio. Por exemplo o meio de crescimento de reposição poderia conter algo de 0 até 75% do composto que contém nitrogênio, para induzir um estado de nitrogênio limitado para a produção de lípidos e/ou acumulação de óleo de armazenagem.
Outro caminho de realizar condições semelhantes a limita-
ção de nitrogênio ou fome de nitrogênio é limitar o molibdato no meio de crescimento quando se usa compostos contendo nitrato (NO3") como fonte de nitrogênio. NO3" deve ser reduzido a NH4+, a fim de ser assimi- lado em compostos orgânicos tais como aminoácidos. NO3" é primeiro convertido em nitrito (NO2") pela enzima da reductase de nitrato (NR), depois, imediatamente convertido em amônia (NH4+) pela enzima da reductase do nitrito (NiR). O molibdênio (Mo) é um co-factor da enzima de NR. Um dos resultados da deficiência de Mo é a atividade reduzida da enzima de NR e, deste modo, a limitação ou fome de nitrogênio. Um caminho simples para estimular as algas a produzir lípidos num biorreator é cultivar, por exemplo, espécies tais como Tetraselmis suecica ou cepas diferentes de Nannochloropsis, que estão acumulando lípidos à medida que crescem. Outro modo simples é cultivar, por exemplo, estas espécies no estado estacionário com pH controlado por CO2. Assim que for alcançado o crescimento máximo, nenhum controle adicional de CO2 deve ser proporcionado e as algas produzem lípidos que são transferíveis para biodiesel. A elevação do pH é um indicador da produção de lípidos. Este processo pode ser feito como um processo de batelada de fase única. Alternativamente, pode ser também um processo de dois estágios com crescimento contínuo ou semi-contínuo numa câmara do fotobiorreator e a descontinuação da adição de CO2 que acontece na outra câmara do fotobiorreator. A quantidade de lípidos varia desde 0 até 80%.
Outra abordagem é colher biomassa algácea, exsicar a
biomassa por via de assentamento, floculação ou centrifugação, então repor o meio de crescimento com quantidades diferentes de nitrogênio ou outros fatores limitativos.
Em várias modalidades, podem ser cultivadas múltiplas espécies fotossintéticas dentro do fotobiorreator, cada uma das quais domina a cultura, quando condições de tempo e ambientais favorecem o seu crescimento. Por exemplo, Nannochloropsis sp.ou Nannochloropsis oculata ou Nannochloropsis salina ou Tetraselmis suecica ou Tetraselmis chuii e Chlorella salina podem ser cultivadas em conjunto. Durante os meses do verão, quando a iluminação solar e as temperaturas ambien- tais estão num máximo, o Tetraselmis pode dominar a cultura. Durante os meses mais aprazíveis do outono e da primavera, as células de Chlorella salina podem dominar a cultura. Durante os meses frios de inverno, a capacidade da Nannochloropsis de prosperar a temperaturas muito baixas pode permitir que ultrapasse a outra espécie. Cada espécie iria, deste modo, estar presente a todo tempo do ano, mas as proporções de diferentes espécies podem variar de acordo com a época.
Engenharia Genética de Algas
Em certas modalidades, as algas de uso para produzir biodiesel ou outros biocombustíveis podem ser geneticamente engenha- das (transgênicas) de modo a conter uma ou mais seqüências isoladas de ácidos nucléicos que intensificam a produção de lípidos ou propor- cionam outras características desejadas à cultura, crescimento, colheita ou uso das algas. Os métodos de transformar de modo estável as espécies e composições de algas compreendendo ácidos nucléicos isolados de uso são bem conhecidos na técnica e quaisquer métodos e composições podem ser usados na prática da presente invenção. Os métodos de transformação exemplificativos de uso podem incluir bombardeio de microprojéteis, eletroporação, fusão do protoplasma, transformação mediada por PEG de protoplastos, whiskers de carboneto de silício revestidos de DNA ou uso de transformação mediada viral ou vórtex de protoplastos com contas de vidro numa solução contendo o DNA a ser transformado na célula algácea (ver, por exemplo, Sanford e colaboradores, 1993, Meth. Enzymol. 217:483-509; Dunahay e colabo- radores, 1997, Meth. Molec. Biol. 62:503-9; Patentes US 5.270.175; 5.661.017, aqui incorporadas por referência).
Por exemplo, a Patente US 5.661.017 revela métodos de transformação algácea de algas contendo clorofila C, tais como a Bacillariophyceae, Chrysophyceae, Phaeophyceae, Xanthophyceae, Raphidophyceae, Prymne siophyceae, Cryptophyceae, Cyclotella, Navicu- la, Cylindrotheca, Phaeodactylum, Amphora, Chaetoceros, Nitzschia ou Thalassiosira. As composições compreendendo ácidos nucléicos de uso, como acetil-CoA carboxilase, também estão descobertos.
Em várias modalidades, um indicador selecionável pode ser incorporado num ácido nucléico isolado ou vetor para selecionar para algas transformadas. Os indicadores selecionáveis de uso podem incluir, mas, sem limitação, fosfotransferase de neomicina, fosfotransfe- rase de aminoglicosídeo, acetiltransferase de aminoglicosídeo, cloranfe- nicol acetil transferase, higromicina B fosfotransferase, proteína de ligação à bleomicina, acetiltransferase da fosfinotricina, bromoxinil nitrilase, sintase do 5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato resistente ao glifosato, proteína ribossomal S14 resistente à criptopleurina, proteína ribossomal S14 resistente à emetina, sintase do acetolactato resistente à sulfonilureia, sintase do acetolactato resistente à imidazolinona, RNA ribossomal 16S resistente à estreptomicina, RNA ribossomal 16S resistente à espectinomicina, RNA ribossomal 23S resistente à eritromi- cina ou tubulina metil resistente ao benzimidazol.
São conhecidas seqüências regulatórias de ácidos nucléicos para intensificar a expressão de um transgene, tal como C. críptica acetil-CoA carboxilase seqüência de controle regulatória 5' não traduzi- da, uma seqüência de controle regulatória C. críptica acetil-CoA carbo- xilase 3'- não traduzida e combinações das mesmas. Adicionalmente, promotores de genes de alfa-tubulina ou qualquer outro gene que seja constitutivamente expresso a partir da espécie que está sendo trabalha- da podem ser colocados na frente de um gene para serem transforma- dos nas algas para alcançarem altos níveis de expressão.
Os trajetos metabólicos de regulação da produção de lípidos de algas não foram completamente caracterizadoa até à data. É claro que certas condições ambientais podem disparador um comutador no metabolismo para a produção intensificada de lípidos. Principalmente, o mecanismo disparador pode ser regulado pela atividade de um ou alguns genes ou proteínas, tais como fatores transcricionais, quinases ou fosfatases de proteína, proteínas receptoras, proteínas de transdução de sinal, hormônios, citocinas ou outros elementos regulatórios. A transformação com enzimas catalisando etapas de limitação de veloci- dade na síntese de lípidos, tais como acetil-CoA carboxilase, também foi sugerida para intensificar a produção de lípidos em algas (ver, por exemplo, Dunahay e colaboradores, "Manipulation of microalgal lipid production using genetic engineering", em Applied Biochemistry and Biotechnology, Humana Press, Totowa NJ, 2007).
Contudo, parece que pode ser mais efetivo mudar a cascata inteira de enzimas envolvidas na produção de lípidos para criar "novos" organismos algáceos capazes de produzir elevadas quantidades de
lípidos sem diminuir a velocidade do processo de crescimento da biomassa.
Modalidades Preferidas
Em diversas modalidades, os métodos, composições e equipamento reivindicados podem compreender:
Um fotobiorreator em que uma entrada adicional para
o fluxo do ar ambiente que adiciona dióxido de carbono ou exaure gases a partir de um movimentador primário de combustão interna pode ser aberta e fechada em resposta à rede de sensores controlados por computador, construída no sistema do fotobiorreator.
Um fotobiorreator em que dióxido de carbono ou
gases de exaustão adicionais a partir de um movimentador primário de combustão interna são adicionados em resposta a aumentos de alcali- nidade como um meio de regular o nível de pH do fotobiorreator e mantê-lo num nível favorável ao crescimento de microalgas.
Um fotobiorreator em que dióxido de carbono adicio-
nal ou gases de exaustão a partir de um movimentador primário de combustão interna são adicionados em resposta ao equilíbrio ajustado de dióxido de carbono dissolvido no meio do fotobiorreator. Um fotobiorreator em que qualquer combinação dos gases seguintes é aspergida através do meio do fotobiorreator: gases de chaminé de planta de energia, dióxido de carbono, ar ambiente, nitro- gênio, gases de exaustão de câmara de combustão interna industrial e/ou gases de rejeito a partir de outros biorreatores industriais.
Um fotobiorreator em que a camada superior do sistema de fotobiorreator e a camada superior das câmaras do fotobior- reator são feitas de vidro.
Um fotobiorreator em que um sensor fluorimétrico é fixado dentro da câmara do fotobiorreator e são alimentadas medições de fluorescência de clorofila a partir daquele sensor fluorimétrico para uma unidade de controle central e/ou umidades de controle de distri- buição.
Um fotobiorreator em que uma unidade de captura de imagem é fixada dentro da câmara do fotobiorreator e as imagens são, então, alimentadas para análise de imagem numa unidade de controle central e/ou umidades de controle de distribuição.
Um fotobiorreator em que uma unidade de controle central ou distribuído recebe dados a partir de vários sensores dentro das câmaras do fotobiorreator e sinais para um operador humano ou um sistema de retroalimentação automatizado para mudar as condições ambientais dentro do sistema de fotobiorreator, por exemplo, aumen- tando a temperatura quando o meio do fotobiorreator ficar muito frio, diminuindo o pH quando o meio do fotobiorreator ficar muito alcalino, aumentando a proporção de dióxido de carbono que é aspergido pelo meio do fotobiorreator, quando o nível de dióxido de carbono dissolvido se tornar muito baixo etc.
Um fotobiorreator em que sensores ambientais são colocados ao longo das câmaras do fotobiorreator e são conectados por fio elétrico, transmissor sem fio e/ou cabo de fibra ótico e que os dados são alimentados para uma unidade de controle central ou distribuído.
Um fotobiorreator em que sensores ambientais são colocados ao longo das câmaras do fotobiorreator conformadas em dedo e transmite dados sem fios e que os dados são alimentados para uma unidade de controle central e/ou umidades de controle distribuídas.
Um fotobiorreator em que a temperatura é regulada dentro da câmara do fotobiorreator removendo líquido a partir da câmara de água externa, aquecendo-a ou arrefecendo-a num trocador de calor que é externo ao sistema do fotobiorreator e, então, reintrodu- zindo-o na câmara de água externa.
Um fotobiorreator em que a temperatura é regulada por tubos que flutuam dentro das câmaras de água externa através das quais flui um fluido de permuta de calor que foi aquecido ou arrefecido por um trocador de calor que é externo ao sistema do fotobiorreator.
Um fotobiorreator em que a temperatura é regulada por tubos na parte inferior da câmara de água externa através das quais flui um fluido de troca de calor que foi aquecido ou arrefecido por um trocador de calor que é externo ao sistema do fotobiorreator.
Um fotobiorreator em que a temperatura é regulada por tubos que flutuam dentro da bolsa subjacente cheia de líquido através da qual uma permuta de calor que foi aquecida ou arrefecida por um trocador de calor que é externo ao sistema do fotobiorreator.
Um fotobiorreator em que o oxigênio em excesso e
outros gases de rejeito são coletados na bolsa de ar na parte mais alta da câmara do fotobiorreator e é, então, extraído por uma bomba de ar externa e armazenado externamente para venda como oxigênio de alta pureza.
Um fotobiorreator em que o meio é bombeado para dentro do sistema e para fora do sistema usando apenas bombas de baixo torque.
Um fotobiorreator em que até 90% do meio é extraído
a cada dia ou mais ou menos freqüentemente de maneira ininterrupta ou numa base semi-contínua, a fim de filtrar os meios de metabolitos bióticos, microorganismos estranhos e outras impurezas.
Um fotobiorreator em que um sistema de reciclo de meios filtra contaminantes para fora do meio, mata crescimento biótico não desejado e ajusta metabolitos a níveis adequados antes que o referido meio seja retornado ao sistema do fotobiorreator.
Um fotobiorreator em que uma bolsa externa cheia de líquido fica debaixo da câmara do fotobiorreator para os propósitos de controle de temperatura e criar uma superfície de nível.
Um fotobiorreator em que a bolsa adicional também serve de biorreator secundário dentro do qual podem ser transferidos microorganismos colhidos a partir do sistema de fotobiorreator e uma bolsa adicional pode, então, servir de biorreator secundário para cres- cimento heterotrófico das microalgas desejadas ou onde a limitação ou exaustão de nutrientes podem acontecer para induzir a acumulação de óleo nas células da cultura.
Um fotobiorreator em que a bolsa adicional contém câmaras em que microalgas colhidas a partir do sistema do fotobiorrea- tor podem ser transferidas e podem, então, servir de biorreator secun- dário para crescimento heterotrófico da cultura desejada ou onde a limitação ou exaustão de nutrientes podem acontecer para induzir acumulação de óleo nas células da cultura. Um fotobiorreator em que a forma das estruturas é mantida por gerenciamento da pressão hidrostática em lugar de flutua- bilidade de gás.
Um fotobiorreator em que cada um dos múltiplos tubos paralelos flexíveis pode ser tratado como um fotobiorreator separado.
Um fotobiorreator em que alguma ou todas as câma- ras do fotobiorreator podem ser conectadas em série a fim de aumentar o comprimento global aparente do fotobiorreator.
Um fotobiorreator em que as câmaras do fotobiorrea-
tor são conectadas em série pode ser conectado via tubos cruzados externos ou via passagens internas entre as câmaras do fotobiorreator que são adjacentes ou em íntima proximidade.
Um fotobiorreator em que as câmaras do fotobiorrea- tor são conectadas em paralelo pode ser conectado via tubos e/ou cabeçotes ou via cruzados externos, passagens internas ou via cabeço- tes internos.
Um fotobiorreator em que a cultura é extraída e/ou meio fresco é adicionado em posições específicas ao longo do compri- mento do fotobiorreator ou em posições específicas ao longo do compri- mento de tubos individuais flexíveis do fotobiorreator.
Um fotobiorreator em que certos nutrientes são adicionados ou adicionados em diferentes concentrações em posições específicas ao longo do comprimento do fotobiorreator ou em posições específicas ao longo do comprimento dos tubos do fotobiorreator flexí- veis individuais com a finalidade de induzir stress de nutrientes para aumentar o teor de lípidos. Um fotobiorreator em que a cultura é circulada através da zona fótica através de meios de agitação que não envolvem aspersão de ar.
Um fotobiorreator em que é adicionado meio fresco à cultura em intervalos periódicos para diluir a cultura e manter a densidade permanente à medida que as células se multiplicam.
Um fotobiorreator que compreende um fotobiorreator de estágio de crescimento e um biorreator expressamente de estágio de stress expressamente para a acumulação de lípidos para a produção de biocombustíveis.
Um fotobiorreator em que o biorreator de stress situa- se adjacente ao fotobiorreator de crescimento e utiliza a luz solar para o cultivo autotrófico das células de microalgas.
Um fotobiorreator em que os biorreatores de cresci- mento e de stress compreendem um canal único, separado por um dispositivo de filtração e através do qual uma corrente acionada por bomba empurra as células de algas através dos diferentes estágios de crescimento e de acumulação de lípidos de forma que chegam no terminal final do sistema contínuo, quando estiverem prontos a serem colhidos.
Um fotobiorreator em que a seção de estágio de stress do canal do biorreator fica debaixo da seção do fotobiorreator do canal e é operado no modo de escuridão, heterotrófico.
Um fotobiorreator em que a seção de stress do biorre- ator é uma estrutura semelhante à torre situada adjacente ao fotobior- reator e operando no modo de escuridão, heterotrófico.
Exemplos Os exemplos seguintes são incluídos para demonstrar modalidades preferidas da invenção. Deve ser observado por aquelas pessoas de capacidade na técnica que as técnicas descritas nos exem- plos que se seguem representam técnicas descobertas pelos inventores para funcionarem bem na prática da invenção e, deste modo, podem ser consideradas como constituindo modos preferidos de sua prática. Contudo, aquelas pessoas de capacidade na técnica devem, levando em conta a presente revelação, observar que podem ser feitas muitas mudanças nas modalidades específicas que são descritas e ainda obter um resultado igual ou semelhante sem sair do espírito e do escopo da invenção.
Exemplo 1
Construção e Uso do Fotobiorreator
Construção do Potobiorreator
Um fotobiorreator exemplificativo foi projetado e construído.
Numa modalidade exemplificativa conforme mostrado na Figura 2, um filme plástico de 26 centímetros de altura, uma lâmina de vinte metros de comprido de filme plástico foi deitado plana sobre uma mesa. Um dispositivo de perfuração rotativo foi, então, rolado sobre o ponto médio da lâmina através do comprimento da lâmina de plástico. Isto criou orifícios de 0,25 mm de diâmetro no plástico a cada 2 centímetros. A lâmina de plástico foi, então, dobrado ao meio, com os orifícios 5 milímetros abaixo da dobra, para formar o tubo de ar.
Este tubo de ar foi, então, colocado entre duas lâminas de filme plástico, tendo cada uma 91 centímetros de altura e 20 metros de comprimento. A parte inferior do plástico do tubo de ar foi colocada vazia com a parte inferior das duas lâminas grandes de filme plástico.
Uma máquina de soldadura térmica de impulso especifica- mente projetada para este processo foi usada para a próxima etapa. Esta máquina compreendia um rolo superior e um inferior (Figura 3A). O cilindro superior desloca-se para cima e para baixo, enquanto o cilindro inferior permanece estacionário. As lâminas de plástico podem ser alimentadas à mão para dentro da máquina de soldadura, que solda 76 centímetros do sistema do fotobiorreator de cada vez. O cilindro superior compreendia dois elementos de aquecimento horizontais de 69 centímetros que criaram a solda superior horizontal, dois elementos de aquecimento horizontais de 69 centímetros que criaram a solda inferior horizontal, e 5 elementos de aquecimento verticais inclinados que foram inclinados num ângulo de 31 graus. O cilindro da parte inferior com- preendia elementos de calor correspondentes que se alinharam com cada um dos elementos acima descritos no cilindro superior. Esta máquina de soldadura era controlada por pistões pneumáticos que aplicavam uma pressão igual aos elementos de solda, quando ativada. A máquina de soldadura segura essa pressão pela duração da solda e por um período de arrefecimento depois da solda. Então, a pressão era liberada e o cilindro retraído. Os tempos de solda típicos eram da ordem de 4-10 segundos, dependendo dos materiais usados exatos e dos ajustes do soldador. Em modalidades alternativas, uma máquina semelhante pode ser projetada para empregar a alimentação automática em lugar da manual das lâminas.
À medida que a máquina premia as lâminas, ela criava uma solda de calor horizontal contínua através do comprimento do filme plástico a 6,35 centímetros a partir da parte inferior das lâmina do filme. Uma solda horizontal superior era colocada simultaneamente através do comprimento da bolsa a 19 centímetros do topo das lâminas de plástico. As seções médias das lâminas de plástico eram seqüenci- almente soldadas em tubos inclinados de extremidades abertas usando a máquina de soldadura especificamente para este propósito (Figura 3B). Compreendida de 5 elementos de soldadura paralelos fixados a um cilindro, a máquina de soldadura acelera o processo de criação das câmaras do fotobiorreator. A máquina de soldadura de impulso de tubo formou 5 soldas parciais inclinadas paralelas que não alcançavam as soldas da parte inferior nem da parte superior da câmara do fotobiorre- ator. As soldas parciais inclinadas eram colocadas a 38 centímetros do topo das lâminas de plástico e a 18 centímetros da parte inferior das lâminas de plástico. As soldas do tubo eram colocadas num ângulo de 31 graus. Um total de 26 prensagens foi feito com esta máquina de solda a calor, de forma a criar um total de 130 soldas sobre os 20 metros de comprimento da câmara do fotobiorreator.
Um total de 130 tubos foi deste modo criado usando a máquina de soldadura, que, por sua vez, era compreendida de 130 soldas de tubo. Dois tubos adicionais foram criados, quando as extre- midades terminais verticais do fotobiorreator foram adicionadas. Deste modo, numa modalidade exemplificativa, uma câmara do fotobiorreator de 20 metros de comprimento era compreendida de 132 tubos inclina- dos.
Para prover uma forma ótima do reator, quando enchido e pressurizado, foi usada uma máquina de soldadura em zigue-zague (Figura 4A) para soldar uma solda em zigue-zague de 3 centímetros de altura através do comprimento das lâminas de plástico exteriores e o tubo de ar. Uma solda inicial em "zigue" era feita através do compri- mento da câmara do fotobiorreator. O topo desta solda em "zigue" começava a 7,6 centímetros da parte inferior das lâminas de plástico e terminava a 6,6 centímetros da parte inferior das lâminas de plástico. A bolsa era, então, virada e a mesma soldadura era corrida sobre o mesmo comprimento na direção oposta, criando um padrão "zague" sobrepondo-se ao padrão "zigue". Uma vez completados, eles se asse- melham a um padrão em zigue-zague (Figura 4C). Para fazer esta solda, o operador deve exercer pressão apropriada durante 4-10 segun- dos, dependendo do material usado e outras condições, seguido de uma quantidade equivalente de tempo de contato com o plástico com a mesma quantidade de pressão aplicada.
Alternativamente o padrão em zigue-zague pode ser criado usando um soldador de temperatura constante com o padrão em zigue- zague ou semelhante feito à máquina ou formado no cabeçote de soldadura. A Figura 4A mostra um exemplo disto.
A máquina de soldadura em zigue-zague foi, então, aplicada para fazer apenas um padrão de solda em "zigue" através do compri- mento da bolsa a 28 centímetros do topo das lâminas de plástico. Esta solda não era contínua e, portanto, permitia que o ar e os líquidos passassem através dos espaços entre as soldas, mas proporcionava suporte estrutural para a bolsa de ar mais elevada na câmara do fotobiorreator.
Sete orifícios de ajuste de anteparo de plástico foram, então,
cortados no fotobiorreator nas posições ilustradas na Figura 5A. Cada anteparo (Figura 5C) tinha um diâmetro interno de 32 milímetros.
Os anteparos de plástico (Figura 5C) eram, então, adapta- dos à câmara do fotobiorreator. O anteparo foi colocado dentro da câmara do fotobiorreator com a seção rosqueada emergindo sobre o exterior. A arruela dura com a sua lateral macia de face para o plástico foi colocada sobre a seção rosqueada. A porca de plástico foi, então, atarraxada firmemente sobre os rosqueados. Uma cobertura foi coloca- da sobre a abertura para assegurar que o pó e os micróbios não entra- riam no anteparo durante o transporte e a instalação. Um método alternativo de fixação é soldar a quente os anteparos diretamente sobre o filme plástico.
A seção de saída de ar foi, então, soldada usando um conjunto de soldador de impulsos de fita em linha direta numa quanti- dade apropriada de tempo e pressão para os materiais usados conforme mostrado na Figura 5A. Um orifício foi cortado na lâmina de plástico exterior no ponto ilustrado na Figura 5A e uma conta de cola quente de alta temperatura foi colocada em torno da extremidade daquele orifício. A porta de placa (Figura 5B) foi, então, fixada sobre aquele orifício e mantida no lugar por alguns segundos para assegurar distribuição igual da cola. Esta porta de placa é a saída de ar para a câmara do fotobiorreator. Outros métodos de fixação, incluindo soldadura e adesivos, podem ser usados para prender a porta de placa ao filme plástico.
As soldas finais inclinadas foram feitas nas extremidades terminais da câmara do fotobiorreator neste momento, usando um conjunto de soldador de fita em linha direta na quantidade apropriada de tempo e pressão para os materiais usados. Estas soldas finais criaram as extremidades terminais e os últimos dois tubos, conforme mostrado na Figura 6.
Um tubo de entrada de ar compreendido de plástico duro de 1 centímetro no diâmetro interno e 10 centímetros de comprimento foi, então, fixado na entrada para o tubo de ar (Figura 7). Para fazer isso, uma aba de plástico foi cortada a partir daquela seção (quatro camadas de plástico estavam sendo cortadas neste momento) na forma de um retângulo (Figura 7). O corte terminou exatamente além da extremida- de da solda vertical. O tubo de plástico duro de entrada de ar foi inserido 7,5 centímetros no tubo de ar. Uma quantidade liberal de cola quente de alta temperatura foi aplicada na interface entre o tubo de plástico duro e a câmara do fotobiorreator e segura suavemente no lugar durante cinco segundos para assegurar que estava fechado hermeticamente.
O plástico em excesso foi, então, cortado em torno do fotobiorreator, como mostrado na Figura 8. Isto resultou numa câmara do fotobiorreator completada única. Deve ser notado que, no sistema de fotobiorreator global, apenas algumas câmaras do fotobiorreator exigirão 7 anteparos para medições de sensores e coleta de amostras. A maioria das bolsas exigirá apenas o tubo de entrada de ar, a porta de placa para a saída de ar e dois ajustes de anteparo: um para a entrada de líquidos e um para a saída de líquidos.
As câmaras do fotobiorreator eram formadas aos pares e uma vedação térmica final era corrida através do comprimento das duas bolsas para juntá-las na parte superior (Figura 9). As câmaras do fotobiorreator formadas aos pares estavam, então, prontas a serem colocadas no sistema do fotobiorreator.
O material da câmara do fotobiorreator deve ser flexível, durável e transparente. Numa modalidade preferida, o material da câmara era compreendido de um polímero de combinação de camadas múltiplas, compreendendo uma camada de filme plástico de nylon ligado de um lado ou outro a uma camada de amarração de agente de ligação e uma camada de polietileno de baixa densidade (LDPE). O agente de ligação aderiu tanto ao LDPE como ao nylon, quando sujeito ao calor e pressão.
O filme plástico de nylon-LDPE pode variar de espessura, dependendo da espécie de microorganismo fotossintético e do nível correspondente de turbulência exigido para a ciclagem da luz, limita- ções de stress-torque etc. Um exemplo preferido do filme de nylon - LDPE é de 0,089 mm (3,5 milésimos de polegada) de espessura. A esta espessura, uma quantidade moderada de turbulência dentro da câmara do fotobiorreator teria pequeno efeito sobre a integridade estrutural do filme. Outras espessuras que podem ser utilizadas na prática de modalidades exemplificativas são de 0,038 mm (1,5 milésimos de polegada), 0,064 mm (2,5 milésimos de polegada), 0,13 mm (5 milési- mos de polegada, 0,18 mm (7 milésimos de polegada) e 0,25 mm (10 milésimos de polegada). Estas espessuras proporcionam integridade estrutural suficiente para níveis variados de turbulência dentro da câmara do fotobiorreator.
Outros exemplos de filmes plásticos que podem ser usados
são LDPE de camada única, polietileno linear de baixa densidade (LLDPE), LDPE de fibra reforçada, polietileno de alta densidade (HDPE), poli vinil cloreto (PVC), polipropileno (PP), nylon de camada única, poliéster (PET), acetato de vinil etileno (EVA), cloreto de polivinilideno (PVLC), vinil etileno álcool (EVA), poliestireno (PS) e qualquer outro filme plástico transparente conhecido na técnica. Além disso, qualquer combinação dos filmes de polímero acima pode ser usada para criar um polímero híbrido laminado múltiplo. As espessuras dos filmes acima descritos variarão de acordo com a espécie de organismo fotossintético escolhido para ser cultivado no sistema do fotobiorreator. De preferên- cia, a espessura escolhida é a espessura mínima permissível para a integridade estrutural, a fim de reduzir o custo do material da bolsa na construção do fotobiorreator.
Uma modalidade preferida para juntar as lâminas de filme plástico em conjunto usa um conjunto de soldador de calor constante no tempo apropriado, pressão e temperatura para os materiais usados. Tempos de imprensa dependem da espessura de filme plástico, material usou e número de camadas.
Os soldadores de impulsos usados em modalidades exem- plificativas para juntar filmes de plástico em conjunto compreendem um soldador de impulsos 30 de volt corrido através de uma fita de NiChrome de 68,5 centímetro de comprimento que era de 0,025 mm de espessura (um milésimo de polegada). Um ajuste exemplificativo não limitativo para junção de duas folhas de 0,13 mm (5 milésimo de polegada) de um filme de polímero de cinco camadas estava a uma pressão de 3,5 kgcnr2 (50 libras por polegada quadrada) durante um período de 4 a 10 segundos.
Quando cheio com meio de crescimento, o painel do fotobi- orreator inflou e as áreas entre as soldas de calor verticais paralelas formaram uma protuberância, criando uma série de tubos cujas partes superiores e inferiores estavam abertas. Deste modo, o painel do fotobiorreator tem um fluxo contínuo através dele, ao mesmo tempo em que também tem uma estrutura rígida devida àaosuporte estrutural proporcionado pelas soldas a calor e a pressão mais alta dentro da câmara do fotobiorreator em relação ã pressão da água circundante.
O meio de crescimento era mantido a um nível ligeiramente abaixo da solda a calor "zigue" que estava abaixo da solda a calor mais alta. O ar era bombeado para dentro do tubo de ar a uma pressão que era suficiente para impedir que o meio de crescimento entrasse no tubo de ar vedado, ao mesmo tempo em que as bolhas eram forçadas para fora de cada perfuração. As bolhas, então, sobem através do meio e estouram na interface de ar-líquido.
A bolsa de ar superior (que era alimentada pelas bolhas de aspersão) proporcionava flutuação positiva que adiciona à integridade estrutural do painel do fotobiorreator. Deste modo, é importante que a bolsa de ar superior seja de volume maior do que o tubo de ar fechado hermeticamente, que, de outra forma, competirá para flutuar o painel. Se um reservatório de água externa não for usado, a pressão hidrostáti- ca interna do meio de crescimento dentro da câmara do fotobiorreator pode ser aumentada para manter a rigidez estrutural da câmara do fotobiorreator.
Mais soldas a calor podem ser adicionadas aos tubos verticais paralelos na forma de covinhas como meio de criar um curso mais longo para as bolhas, à medida que elas sobem. Isto ajuda a prolongar a retenção das bolhas e, deste modo, maximiza a permuta gasosa para uma dada quantidade de ar aspergido.
Outro método de criar um curso de bolha desejado é aplicar um canhão térmico ao exterior dos tubos, a fim de criar uma deforma- ção no plástico que se assemelha a enrugamento. Estas rugas também diminuem a velocidade da subida das bolhas e adicionam à quantidade de permuta gasosa por uma dada quantidade de ar aspergido. Este efeito pode também ser criado formando a vácuo as rugas no filme plástico.
As câmaras do fotobiorreator foram ligadas em conjunto aos
pares (Figura 9) que foram dispostos em forma triangular em seção reta (Figura 10) e foram colocados dentro de um reservatório de água para regulação térmica e suporte estrutural. O reservatório de água foi circundado por uma parede do perímetro externo, conforme descrito acima (Parágrafos 0050-0051). Bombas, sensores e sistemas de contro- le foram integrados no sistema, como descrita acima na Descrição Detalhada.
Exemplo 2 Cultura Algácea
O fotobiorreator exemplificativo descrito no Exemplo 1 foi
inoculado com Nannochloropsis occulata, Nannochloropsis sp., Tetrasel- mis suecica, Tetraselmis chuii, Chlorella salina ou Dunaliella tertiolecta. A cultura algácea de Dunaliella tertiolecta foi cultivada e crescida no sistema do fotobiorreator. Densidades celulares de até mas sem limita- ção 45 milhões de células por mililitro (1,5-2,3 g/L) foram alcançadas para a Dunaliella tertiolecta.
As algas crescidas num fotobiorreator diferente com carac- terísticas semelhantes foram colhidas e os lípidos foram extraídos das algas. Os triglicerídeos foram convertidos em biodiesel usando um processo de transesterificação em batelada.
Exemplo 3 Produção de Lípidos Intensificada por Limitação de Nutrientes
Foi cultivada Tetraselmis suecica durante 5-8 dias em meio f/2 com 0,5g-2g adicionais de NaHCOa/L, pH 7,2-7,5 para a densidade celular máxima numa faixa de 10-62 χ IO6 células/mL. O peso seco foi de 1,4-11 g/L, respectivamente sob agitação contínua com CO2 (1-2%). NaNC>3 e NaH2PO4-H2O foram adicionados conforme necessário. Depois de alcançar a densidade máxima de células, nenhum CO adicional2 foi provido. Os lípidos neutros foram formados em 24h depois de alcançar densidade celular máxima e descontinuação do suprimento de CO2- pH elevou-se de 7,5 até 10-11. A subida do pH é um indicador da produ- ção de lípidos.
A dinâmica da formação de lípidos depois de 24h foi moni- torada usando medições de fluorescência com Vermelho do Nilo. As amostras algáceas foram diluídas para uma densidade óptica de 0,1 a um comprimento de onda de 750 nm. 35 μΐ^ de Vermelho do Nilo em DMSO foram adicionados a 3,5 mL das algas diluídas para a concentra- ção final de 1 μg/ml. A amostra foi completamente misturada e lida depois de incubação de cinco minutos (um tempo de incubação mais longo poderia ser necessário para outras espécies) à temperatura ambiente usando comprimento de onda de excitação de 525 nm e emissão numa faixa de 540 até 800 nm usando um Fluorímetro de Perkin Elmer LS55. Os lípidos neutros emitem a 580-600 nm. Os tipos de lípidos que se acumularam foram analisados por cromatografia em camada fina. A quantidade de ésteres metílicos totais de ácidos graxos foi confirmada por cromatografia gasosa.

Claims (50)

1. Fotobiorreator de Sistema Fechado, caracterizado por que compreende uma ou mais câmaras do fotobiorreator fechadas circun- dadas por um reservatório de água, sendo o referido fotobiorreator capaz de fazer crescer microorganismos fotossintéticos.
2.Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 1, caracterizado por que as câmaras do fotobiorreator compreen- dem um plástico flexível, transparente ou um filme composto.
3.Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 1, caracterizado por que o fotobiorreator é projetado para aumen- tar a eficiência fotossintética proporcionando luz difusa para as câmaras do fotobiorreator.
4. Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 1, caracterizado por que a área de superfície das câmaras do fotobiorreator que é exposta à luz é maior do que a área de superfície de terra coberta pelo fotobiorreator.
5.Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 2, caracterizado por que o suporte estrutural para as câmaras do fotobiorreator é proporcionado pela água no reservatório de água, bolsas de ar de flutuação positiva nas câmaras do fotobiorreator e/ou soldas de calor estrutural no plástico ou filme composto.
6. Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 1, caracterizado por que compreende ainda uma bomba de baixo torque para circular algas e meios de crescimento através da câmara.
7. Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 1, caracterizado por que compreende ainda um filtro de baixo torque.
8 Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 1, caracterizado por que compreende ainda um meio de cresci- mento e um microorganismo fotossintético nas câmaras do fotobiorrea- tor.
9. Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 5, caracterizado por que as câmaras são colocadas em ângulo umas em relação às outras e fixadas nas suas partes superiores e partes inferiores nas câmaras vizinhas, para criar um formato de acordeão a partir de uma vista em seção reta.
10. Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 1, caracterizado por que compreende ainda uma parede de perímetro que circunda o reservatório de água, um revestimento inferior abaixo do reservatório de água e uma camada superior de plástico acima do reservatório de água para diminuir a perda de água a partir do reservatório de água.
11. Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 10, caracterizado por que a água no reservatório de água propor- ciona uma massa térmica para diminuir as flutuações de temperatura das câmaras do fotobiorreator.
12.Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 8, caracterizado por que o microorganismo fotossintético é uma microalga ou uma cianobactéria selecionada do grupo que consiste em Nannochloropsis oculata, Nannochloropsis salina,Nannochloropsis sp., Tetraselmis suecica, Tetraselmis ehuii, Botryeoecus braunii, Chlorella sp., Chlorella ellipsoidea, Chlorella emersonii, Chlorella minutissima, Chlorella protothecoides, Chlorella pyrenoidosa, Chlorella salina, Chlor- ella sorokiniana, Chlorella vulgaris, Chroomonas salina, Cyclotella cryptica, Cyclotella sp., Dunaliella salina, Dunaliella bardawil, Du- naliella tertiolecta, Euglena gracilis, Gymnodinium nelsoni, Haematococ- eus pluvialis, Isoehrysis galbana, Monoraphidium minutum, Monoraph- idium sp., Nannochloris sp., Neochloris oleoabundans, Nitzsehia laevis, Onoraphidium sp., Pavlova lutheri, Phaeodaetylum tricomutum, Porphy- ridium eruentum, Seenedesmus obliquus, Seenedesmus quadrieaula Seenedesmus sp., Skeletonema, Stichococcus baeillaris, Spirulina platen- sis e Thalassiosira sp.
13. Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 2, caracterizado por que a câmara do fotobiorreator compreende uma camada inferior e uma camada superior de filme plástico que são juntas em conjunto, com uma bolsa de ar na parte superior da câmara para proporcionar flutuação positiva, em que o formato da câmara do fotobiorreator é mantido por tensão estrutural.
14. Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 5, caracterizado por que a bolsa de ar coleta o oxigênio produzido por fotossíntese e por que o ar enriquecido de oxigênio é coletado para proporcionar eficiência aumentada de combustão numa planta de energia ou câmara de combustão.
15. Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 10, caracterizado por que a camada superior de plástico contém um corante, um revestimento ou aditivos para bloquear a transmissão de alguma ou toda a luz ultravioleta ou infravermelha, ao mesmo tempo em que permite a transmissão de luz visível para suportar a fotossíntese.
16. Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 1, caracterizado por que compreende ainda uma ou mais portas de sensor, compreendendo cada porta de sensor um ou mais sensores selecionados a partir do grupo que consiste num sensor de gás car- bônico dissolvido, um sensor de oxigênio dissolvido, um sensor de pH, um sensor de temperatura, um sensor de turvação, um sensor de sólidos dissolvidos e um sensor fluorimétrico, em que sinais a partir de um ou mais sensores são alimentados para uma unidade de controle central.
17.Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 16, caracterizado por que a unidade de controle central regula a função de uma ou mais umidades de controle para controlar uma ou mais condições ambientais dentro das câmaras do fotobiorreator em resposta aos sinais de sensor.
18. Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 1, caracterizado por que compreende ainda um biorreator secundário para dentro do qual podem ser transferidos microorganis- mos colhidos e sujeitos a condições para intensificar a produção de lípidos.
19. Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 1, caracterizado por que o volume de fluido na câmara do foto- biorreator pode aumentar ou diminuir, quando a câmara é inoculada com uma nova cultura.
20.Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 12, caracterizado por que são mantidas espécies múltiplas de algas dentro da câmara do fotobiorreator.
21. Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 2, caracterizado por que a pressão dentro das câmaras do foto- biorreator pode ser regulada para controlar o tamanho e o formato da câmara do fotobiorreator.
22.Fotobiorreator de Sistema Fechado, caracterizado por que compreende uma ou mais câmaras de fotobiorreator fechadas compre- endidas de um plástico flexível, transparente ou um filme composto, com um tubo de ar compreendido de filme plástico na parte inferior de cada câmara do fotobiorreator para proporcionar a aspersão de bolhas de ar para a câmara.
23. Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 22, caracterizado por que o ar provido para o tubo de ar contém gás carbônico a partir de uma origem selecionada de gás carbônico atmosférico, um reservatório de gás carbônico, o gás de exaustão de uma planta de energia ou o gás de exaustão de uma câmara de com- bustão.
24. Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 22, caracterizado por que o tubo de ar é provido de um gás com um conteúdo de oxigênio entre zero e dois por cento em volume, para remover o oxigênio dissolvido a partir do meio de crescimento no fotobiorreator.
25. Fotobiorreator de Sistema Fechado, de acordo com a Reivindica- ção 23, caracterizado por que a concentração de gás carbônico pode ser controlada para regular o pH de meio de crescimento nas câmaras do fotobiorreator.
26. Método de Produção de Biocombustível, caracterizado por que compreende: a. cultivar microorganismos fotossintéticos em meio de cresci- mento num fotobiorreator de sistema fechado, compreendendo o fotobiorreator uma ou mais câmaras fechadas do fotobiorreator circundadas por um reservatório de água; b. colhendo os microorganismos fotossintéticos num processo de modo contínuo, semi-contínuo ou de batelada; e c. converter lípidos ou carboidratos a partir dos microorganismos fotossintéticos num biocombustível.
27. Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 26, caracterizado por que os microorganismos fotossintéticos são algas.
28. Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 27, caracterizado por que as algas são sujeitas a uma tensão ambiental para aumentar a produção de lípidos.
29. Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 28, caracterizado por que as algas são sujeitas a uma combi- nação de duas ou mais tensões ambientais diferentes para aumentar a produção de lípidos.
30. Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 28, caracterizado por que a tensão ambiental é a exaustão de gás carbônico.
31. Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 29, caracterizado por que nenhum gás carbônico é provido para as câmaras do fotobiorreator.
32.Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 28, caracterizado por que a tensão ambiental é a exaustão de nitrogênio.
33. Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 28, caracterizado por que a tensão ambiental é exposição reduzida ou aumentada à luz.
34.Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 26, caracterizado por que compreende ainda proporcionar luz difusa para as câmaras do fotobiorreator para aumentar a eficiência fotossintética.
35. Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 26, caracterizado por que o microorganismo fotossintético é uma microalga ou cianobactéria selecionada a partir do grupo que consiste em Nannochloropsis oculata, Nannochloropsis sa- lina, Nannochloropsis sp., Tetraselmis suecica, Tetraselmis chuii, Botry- coccus braunii, Chlorella sp., Chlorella ellipsoidea, Chlorella emersonii, Chlorella minutissima, Chlorella protothecoid.es, Chlorella pyrenoidosa, Chlorella salina, Chlorella sorokiniana, Chlorella vulgaris, Chroomonas salina, Cyclotella cryptica, Cyclotella sp., Dunaliella salina, Dunaliella bardawil, Dunaliella tertiolecta, Euglena graeilis, Gymnodinium nelsoni, Haematococcus pluvialis, Isoehrysis galbana, Monoraphidium minutum, Monoraphidium sp., Nannochloris sp., Neochloris oleoabundans, Nitzsehia laevis, Onoraphidium sp., Pavlova lutheri, Phaeodactylum tricornutum, Porphyridium cruentum, Scenedesmus obliquus, Scenedes- mus quadricaula Scenedesmus sp., Skeletonema, Stichococcus bacillaris, Spirulina platensis e Thalassiosira sp.
36.- Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 26, caracterizado por que o microorganismo fotossintético é Chlorella protothecoides ou Tetraselmis suecica.
37.Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 27, caracterizado por que são mantidas espécies múltiplas de algas dentro da câmara do fotobiorreator.
38. Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 26, caracterizado por que as câmaras do fotobiorreator com- preendem um plástico flexível, transparente ou um filme composto.
39. Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 38, caracterizado por que as câmaras do fotobiorreator com- preendem um tubo de ar compreendido de filme plástico na parte inferior de cada câmara do fotobiorreator para proporcionar a aspersão de bolhas de ar para a câmara.
40. Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 37, caracterizado por que o ar provido para o tubo de ar contém gás carbônico a partir de uma fonte selecionada a partir do gás carbônico atmosférico, uma garrafa de gás carbônico, o gás de exaustão de uma planta de energia ou o gás de exaustão de uma câmara de combustão.
41.Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 40, caracterizado por que a concentração de gás carbônico pode ser controlada para regular o pH do meio de crescimento nas câmaras do fotobiorreator.
42. Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 26, caracterizado por que a água no reservatório de água proporciona uma massa térmica para diminuir flutuações na tempera- tura das câmaras do fotobiorreator.
43. Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivindicação 42, caracterizado por que compreende ainda prover uma fonte externa de aquecimento ou arrefecimento para o fotobiorreator de sistema fechado.
44. Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 39, caracterizado por que gás em excesso a partir dos tubos e o oxigênio gerado por fotossíntese -acumulam-se em bolsas de ar nas partes superiores das câmaras do fotobiorreator.
45. Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 44, caracterizado por que compreende ainda remover o gás enriquecido em oxigênio a partir das bolsas de ar para melhorar a eficiência de combustão numa planta de energia ou câmara de com- bustão.
46. Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivindicação 44, caracterizado por que compreende ainda ventilar o gás a partir das bolsas de ar numa extremidade do fotobiorreator de sistema fechado.
47.Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivindicação 44, caracterizado por que compreende ainda ventilar o gás a partir das bolsas de ar ao longo do comprimento do fotobiorreator de sistema fechado para reduzir a concentração de oxigênio no meio de crescimento.
48. Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivindicação 46, caracterizado por que o gás de exaustão é ventilado debaixo da água.
49. Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivindicação 48, caracterizado por que compreende ainda regular a pressão de gás nas câmaras fechadas do fotobiorreator pela profundi- dade abaixo da superfície da água da abertura do gás de exaustão.
50. Método de Produção de Biocombustível, de acordo com a Reivin- dicação 26, caracterizado por que compreende ainda bombear meio de crescimento através das câmaras do fotobiorreator, em que o meio de crescimento deixa o fotobiorreator numa extremidade e é bombeado para a outra extremidade do fotobiorreator para criar uma corrente unidirecional atravésa das câmaras do fotobiorreator.
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