ES2673369B2 - Método de cultivo y sistema de cultivo de biomasa de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm con fines industriales. - Google Patents

Método de cultivo y sistema de cultivo de biomasa de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm con fines industriales. Download PDF

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Description

D E S C R I P C I O N
Método de cultivo y sistema de cultivo de biomasa de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm con fines industriales.
SECTOR DE LA TECNICA
La presente invencion pertenece al sector de la industria de las microalgas y cianobacterias y mas concretamente a los metodos y a los sistemas de produccion de biomasa.
El objeto principal de la presente invencion es una metodologla y un sistema que permiten cultivar de manera combinada (en consorcio ad-hoc) una amplia gama de especies de microalgas y cianobacterias en biofilm, con la que se obtiene una biomasa que contiene diversos Compuestos Bioactivos de Alto Valor (CAVAS) que son de interes para la industria.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Método s de cultivo de microalgas y cianobacterias
Los metodos de cultivo de microalgas y cianobacterias con fines de produccion de biomasa se realizan utilizando tecnicas de microbiologla y procedimientos de escalado industrial para aumentar los volumenes de produccion. El proceso se inicia a partir de una cepa de una especie, procedente de una coleccion publica o privada, que es cultivada en volumenes pequenos y posteriormente se escala a mayores volumenes de cultivo. Durante este proceso, existen diversas metodologlas para el control de los principales parametros fisicoqulmicos que intervienen en el cultivo: temperatura, iluminacion, suministro de CO2 y fuente de nutrientes.
Dodd etal (2014), en US 2014/0051131 A1, describen un metodo para el monocultivo de especies de microalgas o cianobacterias con fines de produccion de biomasa, optimizando la produccion a partir de estlmulos de iluminacion controlada. En estas condiciones es posible incrementar la produccion de ciertos metabolitos. Entre las especies que se citan estan Chlorella sp, Synechococcus sp y Trachidiscus sp.
En ocasiones las microalgas son cultivadas en ausencia de luz. En US8557249 B2, Brooks & Franklin (2013) reivindican un metodo para la produccion de microalgas por medios heterotroficos para la obtencion de biomasa con fines cosmeticos, proporcionando como ejemplo el cultivo de Chlorella sp.
Ganuza et al (2014), en WO 2014074769 A2, han desarrollado un metodo para el cultivo no axenico (no puro) de microorganismos en condiciones mixotroficas en el que intervienen las microalgas. Los autores describen, ademas, un metodo para el control del crecimiento de bacterias y aumento de la productividad utilizando oxlgeno. Esta invencion reivindica el uso de una fuente de carbono y suplemento de sales como fuente nutritiva, el uso de tanques de cultivo, control de pH y fotoperlodo y la fuente de iluminacion. Pese a las mejoras sobre el control de las condiciones de cultivo, este sistema no contempla el desarrollo de consorcios ad hoc de microalgas y cianobacterias.
De particular interes para la presente invencion, Le Bihan et al. (2014), en US20140356931 A1, describen un metodo y un sistema de tanque fotobiorreactor abierto para la produccion de microalgas, basado en el principio de consorcio de al menos dos especies de microalgas. Con este sistema se controla la iluminacion y, ademas, se favorece los procesos de floculacion para la cosecha, sin afectar el crecimiento de las microalgas en el medio de cultivo. Este sistema subraya las ventajas de cultivo de consorcios, sin embargo, solamente establecen el cultivo de microalgas y no la asociacion con cianobacterias. Ademas, para controlar la calidad de los cultivos no se describe la manera de establecer los consorcios.
En la presente invencion se describe un metodo para el cultivo de consorcios ad-hoc de al menos una microalga y una cianobacteria en biofilm, que garantiza la trazabilidad, desde el cultivo de las especies en condiciones axenicas en laboratorio hasta el cultivo de consorcios ad-hoc en foto-fermentadores.
Sistemas de cultivo de microalgas y cianobacterias
Los sistemas que se utilizan para el cultivo de microalgas o cianobacterias constan de un contenedor o un sustrato, denominado foto-biorreactor o Foto-fermentador, dentro del cual se dispone de un medio de cultivo al que se incorporan sustancias nutritivas (sales inorganicas y/o compuestos organicos), una fuente de iluminacion y una fuente de CO2.
Estos sistemas de produccion de microalgas y cianobacterias se clasifican en dos grandes grupos: los sistemas abiertos y los sistemas cerrados.
Los sistemas abiertos son aquellos en donde las microalgas crecen en contacto con el aire y donde existe la posibilidad de contaminacion por otros microorganismos. Asl mismo, los cultivos estan expuestos a los cambios de temperatura, pluviosidad e insolacion del medio ambiente circundante. Por lo general, tienen un gran consumo de agua y baja productividad, aunque tienen bajo coste de construction y mantenimiento.
Los sistemas abiertos mas utilizados son tanques rectangulares o circulares de escasa profundidad. Las principales especies que se cultivan con estos sistemas son: Arthrospira platensis (espirulina), Dunaliella salina, Hematococcus pluviatilis. Estas especies suelen crecen en medio llquido en condiciones extremofilas, lo que reduce las probabilidades de contaminacion por otros microorganismos.
Una variante de los sistemas abiertos lo constituye los bioreactores de celulas inmovilizadas. Este tipo de sistemas permiten reducir el uso de agua, son de bajo coste economico y suelen ser facilmente escalables. Pese a estas ventajas este tipo de sistemas no consideran metodos de control de la production de las especies en cultivo. Algunos ejemplos son:
Plitt et al. 1996 describen, en US5585266 A, un sistema conformado por un panel de tejido de fibras naturales o artificiales contenido en un marco bastidor cerrado, estanco al aire y al agua. Fernandez (2011), en WO2011/138477 A1, presenta un sistema similar, pero no estanco al aire y al agua con una camara interior para la difusion de gases. Con este tipo de foto-biorreactores se mejora la productividad respecto a los otros sistemas abiertos, gracias a la aportacion de CO2 desde el interior.
Gross & Wen (2014) en US 20140273171 A1 describe un mecanismo con el que los paneles se hace pasar un medio llquido utilizando un sistema de poleas y un motor para generar el movimiento del tejido. Con este sistema, ademas, se automatiza la recogida de las microalgas y se indica que es idoneo para el monocultivo de diversas especies de microalgas y cianobacterias, sin embargo, no se presenta como un sistema escalable industrialmente.
Por otra parte, los sistemas cerrados consisten en foto-biorreactores aislados del contacto con el medio externo y en donde se desarrolla el cultivo en condiciones controladas de temperatura, iluminacion, salinidad e intercambio de gases. En estos sistemas se incrementa la productividad de las especies que estan siendo cultivadas en regimen de monocultivo. Segun Enzing et al. (2014. JRC Scientific and policy reports). las especies que mas se cultivan en estos sistemas son: Nannochloropsis sp, Phaeodactylum sp, Niztchia sp, Cryptocodinium sp, Chlorella vulgaris, Scenedesmus almeriensis, Coelastrella striolata.
De manera general, los sistemas cerrados suelen requerir de elevado coste de inversion, presentan un alto gasto energetico y estan disenados para la production de especies en regimen de monocultivo.
En la presente invention se describe un sistema de cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm. Este es un sistema de cultivo abierto de celulas inmovilizadas, con la ventaja de presentar bajo coste de operation y escalabilidad. Ademas, tiene la ventaja de operarse como otros sistemas cerrados, controlando las variables de cultivo (temperatura, intercambio de gases, pH, salinidad, caudal de agua, entre otros). Estas ventajas favorecen el rendimiento de la produccion, y el control de la calidad de la biomasa que se produce.
El cultivo de consorcio ad-hoc genera asociaciones beneficiosas entre microalgas y cianobacterias para promover unas caracterlsticas bioqulmicas particulares en la biomasa del producto final. Los CAVAS que se obtienen proceden de las propias especies y ademas de la matriz extracelular que se forma, producto de la interaction entre ellas.
La base conceptual del cultivo de consorcios ad-hoc, de esta invencion, procede del hecho de que es bien conocida la cooperation mutualista entre las microalgas y las bacterias. En esta cooperation ocurre intercambio de nutrientes y dinamicas interacciones a traves de senales moleculares que pueden ir en beneficio o detrimento del desarrollo entre especies. Cooper & Smith (2015. Curr. Opin. Plant Biol., 26) y Unnithan et al. (2014. Algal Research, 4) dan cuenta en diversos ejemplos de cooperacion entre especies de microalgas y cianobacterias. Uno de los principales retos de la industria de las microalgas es aprovechar estas interacciones mutuallsticas para beneficiarse de posibles escenarios para mejorar el rendimiento del cultivo y obtener nuevos CAVAS (Cooper & Smith, 2015, op. cit.).
Estos fenomenos de interaccion entre microorganismos en consorcio se manifiestan como una comunicacion a traves de senales moleculares y son conocidos como "quorum sensing” (Bassler, 2002. Cell (109); Dobretsov et al. 2013. Biofouling (25); Montgomery et al. 2013. Life (Basel) 3(1)). Este fenomeno es tipificado en la formation de biofilms por la dependencia de la densidad celular y normalmente ocurre cuando se alcanza un numero crltico de individuos en cada especie.
En la presente invencion se utiliza un metodo y un sistema para el cultivo de consorcios ad-hoc de especies de microalgas y cianobacterias que conforman un biofilm, en el que las especies que intervienen han sido seleccionadas a proposito.
Biomasa de microalgas y cianobacterias en biofilm con fines industriales
Las microalgas y cianobacterias estan siendo objeto de cultivo en diversos palses y son utilizados como ingredientes para alimentacion animal, para alimentacion humana (suplementos, nutraceuticos, antioxidantes, vitaminas, entre otros) y para la produccion de CAVAS como llpidos, protelnas, azucares, minerales, vitaminas, pigmentos, pollmeros y otras moleculas de aplicacion en la industria cosmetica, farmaceutica, la industria qulmica, la industria de la energla y la industria de los materiales.
Encontramos diversas especies que estan siendo producidas para su aprovechamiento industrial. WIPO, OMPIC & MASCIR. (2016. www.wipo.int/edocs) y Priyadarashani & Rath (2012. J. Algal Biomass Utln 3 (4)) realizan una slntesis de las principales especies de microalgas y cianobacterias que han sido objeto de patente en la industria en general. Las especies mas utilizadas son: Arthrospira platensis, Chlorella sp, Nannochloropsis oculata y Dunaliella salina. Existen otras especies que estan siendo utilizadas, como son: Phaedactylum tricornutum, Skeletonema costatum, Rhodosorus marinus y Dysmorphococcus globosus (fuente propia).
EXPLICACION DE LA INVENCION
La description de la invention esta dividida en dos eplgrafes. La seccion I.; Definiciones; especialmente indicado para los no expertos y la seccion II.; Detalles de la invencion. En esta seccion se describe en el apartado A. Método de cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm; en B. Sistema de cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm.
I. DEFINICIONES
Las definiciones descritas a continuacion son ampliamente aceptadas por expertos de la materia. Algunas de ellas se encuentran referenciadas algunas referencias bibliograficas: Richmond (2004. Blackwell Publish. Oxford); Enzing et al. (2014. op. cit.).
Axenico: referido a cultivo de microoganismos, como las microalgas o cianobacterias, de una sola especie en ausencia de otras especies contaminantes.
Biofilm: pellcula o capa de material de origen biologico conformada por moleculas organicas de origen microbiano que albergan microorganismos que se desarrollan en comun (bacterias, microalgas, hongos, entre otros)
CAVAS: compuestos activos de alto valor. Tambien se definen como moleculas de caracter estructural o de reserva, constituyentes de las celulas, en este caso referido a las microalgas o a las cianobacterias. Se pueden considerar CAVAS a moleculas como: las protelnas, llpidos, hidratos de carbono, minerales y ademas componentes completos; o componentes fraccionados, tales como aminoacidos, péptido s; o conformando compuestos mas complejos, tales como pigmentos, vitaminas y otros.
Cianobacteria: son organismos procariotas; bacterias conocidas como algas azul-verdosas por ser portadoras de pigmentos y tener capacidad fotosintetica. Viven de manera individual o de forma colonial.
Consorcio ad hoc: hace referencia a una asociacion de especies de microorganismos de grupos taxonomicos diferentes (microalgas, cianobacterias, hongos, levaduras, entre otros), que se realiza de manera deliberada, para lograr la proliferation de las especies y generar un rendimiento en biomasa de entre 1,2 y 4 g/m2/dla. Estas interacciones dan lugar a un equilibrio dinamico de la comunidad microbiana.
Equilibrio de quorum: concepto acunado en esta invention para describir la etapa de mayor crecimiento de la biomasa, en donde la densidad celular de cada especie alcanza su estado de equilibrio.
Foto-fermentadores: son dispositivos, abiertos o cerrados, provistos de iluminacion, natural o artificial, utilizados para el cultivo de microalgas y cianobacterias. Tambien son conocidos como foto-biorreactores.
Heterotrofico: referido a cultivo de microorganismos, como las microalgas o cianobacterias, en donde se proporcionan una fuente de carbono como fuente de alimentacion.
Metabolito (molecula bioactiva): Vease CAVAS.
Microalgas: son organismos eucariotas portadores de pigmentos y con capacidad fotosintetica. Viven de manera individual o de forma colonial.
Mixotrofico: referido a cultivo de microorganismos, como las microalgas o cianobacterias, en donde se proporcionan condiciones adecuadas para que los microorganismos consuman alimento directamente del exterior (heterotrofla) o la produzcan ellos mismos (autotrofla).
Monocultivo: cultivo de una sola especie. En el caso de esta invencion se trata de cultivos de una sola especie de microalga o cultivos de una sola especie de cianobacteria.
Quorum sensing: es un tipo de comunicacion celular entre microorganismos que regula la expresion genica y la densidad celular interespeclfica de cada poblacion.
Sala blanca: o sala limpia es un espacio cerrado disenado para obtener bajos niveles de contamination, a traves del control de la calidad del aire, la temperatura, la humedad y las partlculas en suspension.
II. DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
A Método de cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm.
Este metodo de cultivo de consorcio ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm conlleva varias etapas (figura 1) a traves de las cuales se cultivan las especies de manera individual y posteriormente en consorcio. Estas etapas incluyen: A1. Hidratacion del sustrato fibroso polimerico (1); A2. La mezcla de las cepas puras (2); A3. La alimentation de los cultivos en FACI (3); A4. La limpieza del sistema de production en FACI (4) .
Las principales ventajas del metodo de esta invencion son las siguientes:
S El metodo de cultivo de consorcios ad-hoc permite integrar cultivos puros de especies de microalgas y cianobacterias, siendo, hasta el momento el unico metodo que es utilizado para este fin.
S El metodo descrito permite realizar distintas combinaciones ad-hoc de especies de microalgas y cianobacterias, a partir de cultivos puros, mejorando el control de la aparicion de otras especies, como ocurre con metodos de cultivos abiertos tradicionales de microalgas y cianobacterias.
S El metodo mejora la trazabilidad del proceso productivo, respecto a los cultivos abiertos y cerrados tradicionales, porque el medio de cultivo se puede fabricar, controlando las sales basicas y nutritivas que utilizan las microalgas para crecer.
S El metodo permite obtener una biomasa de consorcio de especies, con una composition bioqulmica mas compleja porque esta compuesta de los metabolitos de cada especie, de microalgas y cianobacterias, y por los metabolitos producidos por la interaccion entre las especies en el medio de cultivo.
A continuation, se describe cada una de las etapas del metodo de cultivo de consorcios adhoc:
A1. Hidratacion del sustrato fibroso polimerico (1):
En esta etapa se incorpora el medio de cultivo, compuesto de al menos 30 lt de un medio nutritivo, para que el panel absorba el agua y tenga lugar la adhesion de sales minerales en el sustrato (18). Esta etapa debe realizarse en un perlodo de 24 a 48 horas.
A2. Mezcla de cultivos puros (2):
En esta etapa se realiza la mezcla de cultivos de cultivos puros de las microalgas y cianobacterias en el deposito del FACI que contiene al menos 30 litros del medio de cultivo. El primer paso es incorporan entre 3 y 6 litros de cultivo de al menos una especie de cianobacteria. Pasados 48 horas, una vez las cianobacterias haya colonizado el sustrato fibroso (5) (figura 2), se incorporan entre 3 y 6 litros de al menos una especie de microalga. En este punto las cianobacterias forman un entramado de fibras que favorecen la fijacion pasiva de conglomerados de microalgas, para dar lugar a la estructura final del consorcio de microalgas y cianobacterias en biofilm (6).
A3. Alimentacion de los cultivos en FACI (3):
Para garantizar el desarrollo del consorcio es necesario incorporar los medios nutritivos 2 veces por semana.
A4. Mantenimiento de los cultivos en FACI (3):
Para garantizar la estabilidad del consorcio es necesario realizar la limpieza del FACI 1 vez por semana. La limpieza consiste en eliminar parcialmente el medio de cultivo, lavar las paredes y el fondo de la cuba donde se acumula el medio de cultivo y limpiar las tuberlas y la bomba. A partir de los 35 dlas se considera establecido el consorcio, cuando las especies alcanzan "un equilibrio de quorum”. Este estado se define como el momento a partir del cual la biomasa obtenida regularmente se mantiene sin variaciones, en cuanto a composition de especies (7) (figura 4) y en cuando a productividad. La productividad media de este tipo de consorcios se establece entre 1,48 y 4 gr de materia seca / m2 de sustrato / dla, segun las especies que intervengan en el consorcio.
En otra forma de realization preferente se puede modificar el medio de cultivo si se pretende obtener determinados CAVAS en la biomasa en consorcio final. Por ejemplo, para incrementar el contenido en protelnas se aumenta en proportion el contenido en solution de nitratos en relation 4:1 respecto al resto de los medios nutritivos. En el caso de incrementar el contenido en llpidos totales se incorpora cualquier fuente de carbono organico (por ejemplo: glucosa o glicerol) en relacion 1:1 con la solucion de nitratos.
En otra forma de realizacion preferente se puede modificar la iluminacion, cuando se pretende realizar el cultivo en FACI en atmosfera controlada (sala blanca). Se incorpora iluminacion LED combinando longitud de onda roja (660 nm) y azul (420 a 470 nm), con el fin de cumplir con los requerimientos de las microalgas y cianobacterias, cuyas necesidades de longitud de onda son diferentes debido a su composicion en pigmentos fotosinteticos.
En otra forma de realizacion preferente se puede modificar la iluminacion, cuando se pretende realizar el cultivo en FACI en atmosfera controlada (sala blanca). El cultivo se puede realizar en ausencia de luz y anadiendo una fuente de carbono organico como suplemento alimenticio. De este modo la biomasa de consorcio modifica su forma de produccion a heterotrofica, siendo especialmente indicada para la produccion de lipidos de alto valor.
En otra forma de realizacion preferente se puede modificar la atmosfera para incorporar CO2 con el fin de aumentar la productividad en un 30%. En esta realizacion el CO2 sera transferido a la atmosfera circundante a una concentration del 5%.
B. Sistema de cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm:
El sistema que se describe a continuation hace referencia a un Foto-fermentador de Celulas Inmovilizadas (8) que opera en condiciones abiertas al ambiente o en atmosfera controlada (sala blanca).
Las principales ventajas del sistema de cultivo descrito en esta invention son las siguientes:
S El Foto-fermentador Abierto de Celulas Inmovilizadas (FACI) es un sistema abierto que permite cultivar consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm, siendo hasta el momento el unico sistema que es utilizado para este fin.
S El artefacto descrito simplifica la estructura de otros fotobiorractores de celulas inmobilizadas, mejorando la eficiencia en las labores de siembra, cosechado y limpieza en cada ciclo de cultivo.
S EL FACI incorpora un modo de distribution de agua denominado "canal desbordante” que garantiza la uniformidad de la lamina de agua sobre el Fotofermentador.
S El FACI incorpora unos tensores que permite ajustar la tension superficial de la lamina de sustrato fibroso polimerico, asi como sumergirla parcialmente en el medio de cultivo. Esto favorece el flujo ascendente de las sales nutritivas y el crecimiento de las cianobacterias.
S EL FACI dispone de una valvula de ajuste de caudal y un caudalimetro, que permiten modificar el caudal de medio que discurre entre el sustrato y la cuba de siembra. El caudal es una variable critica para el tipo de cultivo de consorcio ad-hoc que se desea obtener.
El artefacto que se describe en la invencion (FACI) esta especialmente indicado para el cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm.
Esta compuesto por un chasis apoyado en cuatro pies de soporte y nivelado. El chasis soporta cuatro conjuntos tensores por medio de alas soporte que permiten ajustar la tension a la que esta sometida una lamina vertical de sustrato fibroso polimerico por medio del conjunto de varilla roscada, tuercas y arandelas. La tension superficial del sustrato es una variable que influye en el tipo de consorcio que se desea cultivar. A diferencia de la patente WO2011/138477 no dispone de marco bastidor para camara de gases ya que no se realiza aporte de gases. Otra diferencia es la disposition semi-sumergida de la lamina de geotextil, para favorecer el flujo ascendente, lo que mejora el crecimiento del consorcio, especialmente de las cianobacterias. Adicionalmente, en la presente invencion, no existe lamina de malla interna de 5mm de ojo de malla (por ambas caras), se trata de una unica lamina de sustrato fibroso polimerico.
El sustrato fibroso polimerico se encuentra parcialmente sumergido, en su zona inferior, en una cuba de siembra. Esto permite, por medio de la capilaridad, la penetration de las sales nutritivas del medio de cultivo. Esta caracterlstica tambien favorece el cultivo del consorcio, especialmente, el crecimiento de las cianobacterias.
Adicionalmente, se realiza un vertido de medio de cultivo desde la cuba de siembra por la parte superior del sustrato. Para ello, se utiliza una bomba sumergida y una tuberla que elevan el medio de cultivo hasta un canal desbordante. En dicha tuberla, entre la bomba y el canal desbordante, se disponen una valvula de corte y un caudallmetro. Mediante estos elementos se puede variar el caudal elevado hasta el canal desbordante. El caudal bombeado es determinante en el proceso de cultivo, favoreciendo la aparicion de un tipo de consorcio u otro.
El canal desbordante garantiza (gracias al nivelado del chasis) un reparto totalmente homogeneo del medio de cultivo sobre el sustrato fibroso polimerico ya que produce un efecto de lamina desbordante sin salpicaduras. El medio de cultivo se recircula constantemente desde la cuba de siembra hasta el canal desbordante y de ahl cae por sustrato fibroso polimerico de nuevo a la cuba de siembra.
La forma de realization preferente (figuras 5 a 12) del sistema FACI consiste en un chasis construido (13) mediante un tubo cuadrado de acero inoxidable de 40x40 millmetros y 2 millmetros de espesor. Dicho chasis se apoya en 4 pies de soporte y nivelado (9) que consisten en una chapa circular de acero inoxidable de 100 millmetros de diametro y 10 millmetros de espesor. A cada uno de dichos pies se suelda una varilla roscada de acero inoxidable de metrica 10 en el centro del disco (9). En cada varilla se inserta una tuerca y su correspondiente arandela tambien de acero inoxidable (9). En cada uno de los 4 tubos cuadrados de acero inoxidable (en su parte inferior) se sueldan 4 tapas en cuyo centro se realiza un taladro de 11 millmetros que permite el paso de la varilla roscada. Mediante sistema de tuerca y arandela dicha varilla habilita la variacion de la altura de cada pata lo que permite nivelar perfectamente el FACI.
A fin de ajustar perfectamente la tension superficial del sustrato fibroso polimerico (18) se disponen 4 conjuntos tensores. Tanto las alas soporte tensoras (11 y 14) como los tensores (10 y 15) consisten en un tubo cuadrado de acero inoxidable de 40x40 millmetros y 2 millmetros de espesor. Dichas alas se sueldan al chasis. Se realizan taladros de 11 millmetros tanto en las alas como los tensores. Estos taladros permiten el paso de las varillas roscadas que, junto con las tuercas y arandelas (12), proporcionan un ajuste milimetrico del conjunto.
Los conjuntos de varilla roscada, tuercas y arandelas (12) son identicos a los utilizados en los pies de apoyo.
En esta forma de realizacion preferente, el sustrato fibroso polimerico (18) consiste en fibras de polipropileno. Dicho sustrato polimerico se pliega sobre si mismo en sus dos extremos y posteriormente se cose longitudinalmente. De este modo se genera un tunel que sirve para colgar el sustrato fibroso por medio de los tensores superior (15) e inferior (10). El sustrato fibroso polimerico se encuentra parcialmente sumergido, en su zona inferior, en el medio de cultivo contenido en una cuba de acero inoxidable
As! mismo, sobre el tensor superior se monta el canal desbordante (17) consistente en un perfil en U de acero inoxidable de 40 millmetros de ancho y 20 de alto por 3 millmetros de espesor. En los extremos de este canal se sueldan dos pletinas en angulo de 90° para cerrar el mismo. En cada una de estas pletinas (en su cara no soldada al canal desbordante) se realiza un taladro de 11 millmetros. Nuevamente, a traves de dichos taladros mediante varilla roscada, tuercas y arandelas se fija el canal desbordante al tensor superior.
En esta forma de realizacion preferente, el medio de cultivo es contenido en una cuba de acero inoxidable (19) con una capacidad total de entre 10 y 150 litros. El acero inoxidable tiene un acabado superficial 2B. Para mejorar la limpieza de la cuba, una forma de realizacion aun mas preferente es la utilization de un acero inoxidable con acabado 2R o BA.
Gracias a la bomba sumergida (22) el medio de cultivo es bombeado a traves de la tuberla de PVC de 16 millmetros (23) hasta inundar de manera homogenea el canal desbordante gracias a las 4 salidas dispuestas en el mismo.
Como se ha mencionado, el control del caudal de medio de cultivo es de suma importancia. Para garantizar dicha regulation, se dispone una valvula de ajuste de caudal de PVC (24) y un caudallmetro (15).
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Para complementar la description que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracterlsticas de la invention, se acompana como parte integrante de dicha descripcion, un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1. Método de cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm, segun la realization preferente. Descripcion de cada etapa del metodo.
Figura 2. Método de cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm, segun la realizacion preferente. Detalle de la etapa de cultivo en FACI: asentamiento de sales nutritivas y formation del biofilm de microalgas y cianobacterias (400x). Fibra artificial del sustrato fijo (S) y Matriz de mucopolisacarido con asentamiento bacteriano (M).
Figura 3. Biomasa de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias marinas verdes en biofilm. Esta compuesta por: O. Oscillatoria sp (cianobacteria), N. Nannochloropsis gaditana, T. Tetraselmis chuii.
Figura 4. Biomasa de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias marinas verdes en biofilm. Detalle de la composition relativa de las especies del consorcio . La flecha indica el punto de “equilibrio de quorum”.
Figura 5. Sistema de cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm, segun la realizacion preferente.
Figura 6 Sistema de cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm, segun la realizacion preferente. Vista frontal A: vista frontal del Fotobiorreactor Abierto de Celulas Inmobilizadas (FACI) sin la cuba para medio de cultivo.
Figura 7 Sistema de cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm, segun la realizacion preferente. Section A: section del FACI sin la cuba para medio de cultivo.
Figura 8 Sistema de cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm, segun la realizacion preferente. Alzado: vista lateral del FACI con la cuba para medio de cultivo.
Figura 9 Sistema de cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm, segun la realizacion preferente. Vista frontal B: vista frontal del FACI con la cuba para medio de cultivo.
Figura 10 Sistema de cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm, segun la realizacion preferente. Seccion B: seccion transversal del FACI con la cuba para medio de cultivo.
Figura 11 Sistema de cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm, segun la realizacion preferente. Seccion C: seccion longitudinal del FACI con la cuba para medio de cultivo.
Figura 12 Sistema de cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm, segun la realizacion preferente. Hidraulica: seccion transversal del FACI con la cuba para medio de cultivo, bomba sumergida, tuberlas, valvula de ajuste de caudal y caudallmetro.
REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
A Método de cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm
El modo de realizacion preferente de cada una de las etapas del metodo de cultivo de consorcio ad-hoc de microalgas y cianobacterias (figura 1), se describe a continuation:
A1. Hidratacion del sustrato fibroso polimerico (1):
En esta etapa se incorpora el medio de cultivo, compuesto de al menos 30 lt de un medio nutritivo, para que el panel absorba el agua y tenga lugar la adhesion de sales minerales en el sustrato (18). Esta etapa debe realizarse en un perlodo de 24 a 48 horas.
A2. Mezcla de cultivos puros (2):
En esta etapa se realiza la mezcla de cultivos de cultivos puros de las microalgas y cianobacterias en el deposito del FACI que contiene al menos 30 litros del medio de cultivo. El primer paso es incorporan entre 3 y 6 litros de cultivo de al menos una especie de cianobacteria. Pasados 48 horas, una vez las cianobacterias haya colonizado el sustrato fibroso (5) (figura 2), se incorporan entre 3 y 6 litros de al menos una especie de microalga. En este punto las cianobacterias forman un entramado de fibras que favorecen la fijacion pasiva de conglomerados de microalgas, para dar lugar a la estructura final del consorcio de microalgas y cianobacterias en biofilm (6).
A3. Alimentacion de los cultivos en FACI (3):
Para garantizar el desarrollo del consorcio es necesario incorporar los medios nutritivos 2 veces por semana.
A4. Mantenimiento de los cultivos en FACI (3):
Para garantizar la estabilidad del consorcio es necesario realizar la limpieza del FACI 1 vez por semana. La limpieza consiste en eliminar parcialmente el medio de cultivo, lavar las paredes y el fondo de la cuba donde se acumula el medio de cultivo y limpiar las tuberlas y la bomba. A partir de los 35 dlas se considera establecido el consorcio, cuando las especies alcanzan "un equilibrio de quorum”. Este estado se define como el momento a partir del cual la biomasa obtenida regularmente se mantiene sin variaciones, en cuanto a composition de especies (7) (figura 3 y 4) y en cuando a productividad. La productividad media de este tipo de consorcios se establece entre 1,48 y 4 gr de materia seca / m2 de sustrato / dla, segun las especies que intervengan en el consorcio.
En otra forma de realization preferente se puede modificar el medio de cultivo si se pretende obtener determinados CAVAS en la biomasa en consorcio final. Por ejemplo, para incrementar el contenido en protelnas se aumenta en proportion el contenido en solution de nitratos en relation 4:1 respecto al resto de los medios nutritivos. En el caso de incrementar el contenido en llpidos totales se incorpora cualquier fuente de carbono organico (por ejemplo: glucosa o glicerol) en relacion 1:1 con la solucion de nitratos.
En otra forma de realization preferente se puede modificar la ilumination, cuando se pretende realizar el cultivo en FACI en atmosfera controlada (sala blanca). Se incorpora iluminacion LED combinando longitud de onda roja (660 nm) y azul (420 a 470 nm), con el fin de cumplir con los requerimientos de las microalgas y cianobacterias, cuyas necesidades de longitud de onda son diferentes debido a su composition en pigmentos fotosinteticos.
En otra forma de realization preferente se puede modificar la iluminacion, cuando se pretende realizar el cultivo en FACI en atmosfera controlada (sala blanca). El cultivo se puede realizar en ausencia de luz y anadiendo una fuente de carbono organico como suplemento alimenticio. De este modo la biomasa de consorcio modifica su forma de production a heterotrofica, siendo especialmente indicada para la production de llpidos de alto valor.
En otra forma de realization preferente se puede modificar la atmosfera para incorporar CO2 con el fin de aumentar la productividad en un 30%. En esta realization el CO2 sera transferido a la atmosfera circundante a una concentration del 5%.
B. Sistema de cultivo de consorcio ad-hoc de microalgas y cianobacterias:
La forma de realization preferente (figuras 5 a 12) del sistema FACI consiste en un chasis construido (13) mediante un tubo cuadrado de acero inoxidable de 40x40 millmetros y 2 millmetros de espesor. Dicho chasis se apoya en 4 pies de soporte y nivelado (9) que consisten en una chapa circular de acero inoxidable de 100 millmetros de diametro y 10 millmetros de espesor. A cada uno de dichos pies se suelda una varilla roscada de acero inoxidable de metrica 10 en el centro del disco (9). En cada varilla se inserta una tuerca y su correspondiente arandela tambien de acero inoxidable (9). En cada uno de los 4 tubos cuadrados de acero inoxidable (en su parte inferior) se sueldan 4 tapas en cuyo centro se realiza un taladro de 11 millmetros que permite el paso de la varilla roscada. Mediante sistema de tuerca y arandela dicha varilla habilita la variation de la altura de cada pata lo que permite nivelar perfectamente el FACI.
A fin de ajustar perfectamente la tension superficial del sustrato fibroso polimerico (18) se disponen 4 conjuntos tensores. Tanto las alas soporte tensoras (11 y 14) como los tensores (10 y 15) consisten en un tubo cuadrado de acero inoxidable de 40x40 milimetros y 2 milimetros de espesor. Dichas alas se sueldan al chasis. Se realizan taladros de 11 milimetros tanto en las alas como los tensores. Estos taladros permiten el paso de las varillas roscadas que, junto con las tuercas y arandelas (12), proporcionan un ajuste milimetrico del conjunto.
Los conjuntos de varilla roscada, tuercas y arandelas (12) son identicos a los utilizados en los pies de apoyo.
En esta forma de realizacion preferente, el sustrato fibroso polimerico (18) consiste en fibras de polipropileno. Dicho sustrato polimerico se pliega sobre si mismo en sus dos extremos y posteriormente se cose longitudinalmente. De este modo se genera un tunel que sirve para colgar el sustrato fibroso por medio de los tensores superior (15) e inferior (10). El sustrato fibroso polimerico se encuentra parcialmente sumergido, en su zona inferior, en el medio de cultivo contenido en una cuba de acero inoxidable
Asl mismo, sobre el tensor superior se monta el canal desbordante (17) consistente en un perfil en U de acero inoxidable de 40 milimetros de ancho y 20 de alto por 3 milimetros de espesor. En los extremos de este canal se sueldan dos pletinas en angulo de 90° para cerrar el mismo. En cada una de estas pletinas (en su cara no soldada al canal desbordante) se realiza un taladro de 11 milimetros. Nuevamente, a traves de dichos taladros mediante varilla roscada, tuercas y arandelas se fija el canal desbordante al tensor superior.
En esta forma de realizacion preferente, el medio de cultivo es contenido en una cuba de acero inoxidable (19) con una capacidad total de entre 10 y 150 litros. El acero inoxidable tiene un acabado superficial 2B. Para mejorar la limpieza de la cuba, una forma de realizacion aun mas preferente es la utilization de un acero inoxidable con acabado 2R o BA.
Gracias a la bomba sumergida (22) el medio de cultivo es bombeado a traves de la tuberla de PVC de 16 milimetros (23) hasta inundar de manera homogenea el canal desbordante gracias a las 4 salidas dispuestas en el mismo.
Como se ha mencionado, el control del caudal de medio de cultivo es de suma importancia. Para garantizar dicha regulation, se dispone una valvula de ajuste de caudal de PVC (24) y un caudallmetro (15).

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un metodo o procedimiento para el cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm en Foto-fermentadores Abiertos de Celulas Inmovilizadas (FACI) (8) consisten en 4 etapas:
    a. La etapa de acondicionamiento del sustrato de cultivo, que consiste en incorporar un volumen de entre 30 y 200 lts de medio nutritivo en el deposito para que el panel, conformado por el sustrato fibroso polimerico se hidrate, durante al menos 48 horas (1).
    b. la etapa de mezcla de cultivos puros que consiste en incorporar al menos 3 litros de cultivo de una especie de cianobacteria y, transcurridas al menos 48 horas, incorporar al menos 3 litros de cultivo de una especie de microalga, ambos, en la cuba para medio de cultivo del FACI (2).
    c. La alimentacion de cultivos en FACI que consiste en incorporar las sales nutritivas al menos 2 veces por semana (3)
    d. El mantenimiento de cultivos en FACI que consiste en la limpieza del cultivo al menos 1 vez por semana (4).
    2. Un metodo, segun la reivindicacion 1, caracterizado porque la biomasa de consorcio adhoc que se cultiva consiste en la siguiente combination de microalgas y cianobacterias: a. Las microalgas marinas verdes Nannochloropsis gaditana y Tetraselmis chuii y la cianobacteria Oscillatoria sp (6).
    3. Un metodo, segun las reivindicaciones 1en donde, transcurridos al menos 30 dlas, la tasa de productividad de biomasa de consorcio de microalgas y cianobacterias consiste en una ratio entre 1,48 y 4 gr de materia seca/m2/dla, segun las especies que intervengan en el consorcio.
    4. Un metodo, segun la reivindicacion 1, que comprende un aumento de la proportion en el contenido de las sales nutritivas de nitratos en relacion 4:1 respecto al resto de sales nutritivas para promover un incremento en el contenido en protelnas de la biomasa de consorcios.
    5. Un metodo, segun la reivindicacion 1, que comprende el suministro de cualquier fuente de carbono organico (por ejemplo: glucosa o glicerol) en relation 1:1 con la solution de nitratos, y la ausencia de luz, para promover un incremento en el contenido en llpidos totales y llpidos de alto valor de la biomasa de consorcios.
    6. Un metodo, segun la reivindicacion 1, que comprende el uso de iluminacion artificial LED, combinando longitud de onda roja (660 nm) y azul (420 a 470 nm) en atmosfera controlada, para promover un incremento en la productividad de la biomasa de consorcios, en al menos un 15%.
    Un metodo, segun la reivindicacion 1, que comprende el uso de una fuente artificial de CO2, en una concentration del 5% en atmosfera controlada para promover un incremento la productividad del consorcio de microalgas y cianobacterias, al menos un 20%.
    Un sistema de cultivo de consorcios ad-hoc de microalgas y cianobacterias en biofilm (8), tipo Foto-fermentador Abierto de Celulas Inmobilizadas (FACI) y un mecanismo de bombeo del medio de cultivo que consiste en los siguientes elementos:
    a. Un chasis de soporte (13) al que se sueldan las alas soporte para tensor inferior y superior (11 y 12) sobre las que se montan los tensores: inferior (10) y superior (15),
    b. un sustrato fibroso polimerico (18) soportado por los tensores inferior (10) y superior (15), por el que fluye en sentido descendente un medio llquido de cultivo que contiene un consorcio de microalgas y cianobacterias bombeado desde una cuba para medio de cultivo (19) a la que vuelve a caer dicho medio de cultivo y en la que el sustrato fibroso polimerico (18) se encuentra parcialmente sumergido,
    c. cuatro pies de soporte y nivelado (9), uno en cada una de las 4 extremidades del chasis de soporte (13).
    d. un canal desbordante (17) de medio de cultivo en su parte superior, que permite un reparto homogeneo de dicho medio de cultivo, por el principio de lamina desbordante al sustrato fibroso polimerico (18).
    e. un tensor inferior (10) y otro superior (15) para ajustar la altura y tension del sustrato fibroso polimerico (18). Estos tensores (10 y 15) permiten mediante sus correspondientes varillas roscadas, tuercas y arandelas un ajuste perfecto de la tension a la que se somete el sustrato fibroso polimerico (18). Asl mismo, permiten sumergir parcialmente hasta una altura variable el sustrato fibroso polimerico (18) en el medio de cultivo (20) contenido en la cuba para medio de cultivo (19).
    f. una bomba sumergida (22) encargada de trasegar el medio de cultivo desde la cuba para medio de cultivo (19) al canal desbordante (17) mediante una tuberla (23) en la que hay intercalados un caudallmetro (25) y una valvula de ajuste de caudal (24),
    g. una valvula de ajuste de caudal (24) y un caudallmetro (25) para la regulacion del caudal de medio de cultivo que fluye desde la cuba para medio de cultivo (19) hasta el canal desbordante (17).
    9. Un sistema de cultivo, segun la reivindicacion 7, caracterizado porque estan integradas al menos dos unidades de sistema de cultivo.
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