ES3026516T3 - Photo-bioreactor device and methods - Google Patents

Abstract

Se proporcionan dispositivos y unidades de fotobiorreactor para la producción de biomasa y la remediación de la contaminación ambiental. Los dispositivos de biorreactor comprenden una o más unidades de fotobiorreactor con al menos una capa de membrana que define la unidad de fotobiorreactor capaz de contener un fluido, siendo dicha capa translúcida o transparente, y siendo al menos una parte de dicha capa permeable a los gases. El coeficiente de permeabilidad del dióxido de carbono a través de dicha capa de membrana es de al menos 1000 Barrer. Las unidades de fotobiorreactor también incluyen un puerto de entrada y uno de salida para permitir la circulación del fluido a través de la unidad. Se proporcionan sistemas que comprenden los dispositivos, así como métodos para su uso en la producción de biomasa, la remediación de aguas residuales y la eliminación de contaminantes atmosféricos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de fotobiorreactor y métodos

Campo

La presente invención se refiere a dispositivos de fotobiorreactores que pueden usarse para generar biomasa y ayudar en la remediación ambiental. Dichos dispositivos también pueden eliminar gases, como el dióxido de carbono y los óxidos de nitrógeno, del medio ambiente y pueden generar oxígeno.

Antecedentes

Debido al alejamiento global de la dependencia de las fuentes de energía basadas en combustibles fósiles, la biomasa se está volviendo cada vez más importante para la generación de energía, la producción de productos químicos y otras aplicaciones industriales y ambientales. La biomasa derivada de fuentes no alimentarias es de particular interés porque se puede producir mucho más rápido que otros tipos de biomasa agrícola basada en la tierra, como el maíz y la soja, y, una vez cosechada, se puede procesar (por ejemplo, mediante fermentación o refinamiento). para producir biocombustibles, tales como biodiesel, etanol, butanol y metano (biogás) y/o para producir sustancias químicas y nutrientes valiosos.

El documento US2014/186909 describe una cápsula de fotobiorreactor fabricada de películas de polímero flexibles transparentes (o semitransparentes) que se divide en una pluralidad de canales adyacentes, en comunicación con una estructura de distribución de fluidos.

El documento GB2339763 describe un fotobiorreactor de material transparente, que comprende una bolsa flexible con una entrada y una salida, y una pluralidad de sellos lineales que definen una pluralidad de conductos. La bolsa flexible está fabricada de un plástico o polímero no permeable.

El documento US2015/0230420 se refiere a un fotobiorreactor, así como a una unidad de biogás equipada con dicho fotobiorreactor, que utiliza un sistema de tuberías transparentes para el flujo de una suspensión de cultivo, configurado en forma de niveles para permitir el cultivo en varios niveles.

El documento DE102012013587 se refiere a un fotobiorreactor que comprende una bolsa desechable que define una cámara de reactor delimitada por una pared, y fuentes de luz dispuestas junto a dicha pared. El documento US2014/0093924 describe sistemas de fotobiorreactores de biopelículas de paneles planos con microorganismos fotosintéticos y autofermentadores que forman una biopelícula y que elaboran productos químicos a través de la fotosíntesis y la posterior autofermentación.

El documento WO2015/116963 se refiere a biorreactores que definen un sistema esencialmente cerrado excepto por al menos una abertura que permite la introducción de gases y/o nutrientes. El gas y/o los nutrientes se introducen de manera que proporcionen el mezclado y la aireación de un cultivo celular en el biorreactor. El documento US2009/305389 describe fotobiorreactores que comprenden una bolsa exterior flexible, con tubos de membrana situados dentro de la bolsa exterior que permiten la introducción de altas concentraciones de dióxido de carbono en el medio contenido en su interior.

El documento US2011/312084 describe fotobiorreactores que comprenden polímeros metacrílicos en forma de películas, placas o cilindros, tales como tubos.

El documento US2012329147 describe un aparato de producción de microalgas con base acuática.

Existe la necesidad de nuevos biorreactores altamente escalables y de bajo coste capaces de generar grandes cantidades de biomasa para enfrentar los desafíos energéticos y ambientales actuales. Además, existe la necesidad de fotobiorreactores que faciliten la instalación, muestren costes de funcionamiento relativamente bajos y que puedan contribuir a la remediación ambiental, tal como la absorción de gases de efecto invernadero o el tratamiento de suministros de agua contaminada. La presente invención busca abordar estos y otros problemas como resultará evidente a partir de la descripción que sigue.

Sumario

La invención proporciona un dispositivo fotobiorreactor para cultivar un organismo fotosintético y facilitar la transferencia de gases entre un fluido interno y una atmósfera externa, que comprende:

(i) una o más unidades de fotobiorreactor que comprenden una capa de membrana que define la unidad de fotobiorreactor capaz de contener un fluido,

en el que la capa de membrana es translúcida o transparente, y

en el que al menos una parte de la capa de membrana es permeable a los gases, donde el coeficiente de permeabilidad del dióxido de carbono a través de la capa de membrana es de al menos 1000 Barrer; y

(ii) un puerto de entrada y uno de salida para permitir la circulación del fluido a través de dicha unidad.

En una realización, la unidad de fotobiorreactor está definida por una sola lámina de membrana, donde al menos una porcigon de la capa de mebrana está unida a sí misma. En otra realización, la unidad de fotobiorreactor está definida por una sola lámina de membrana dispuesta en forma de tubo. En otra realización, la unidad de fotobiorreactor está definida por una primera capa de membrana y una segunda capa no membranosa. las dos capas dispuestas de manera que al menos una parte de la primera capa de membrana esté unida directamente a al menos una parte de la segunda capa no membranosa para formar un límite definido alrededor de las porciones no unidas de la primera y segunda capas.

En algunas realizacines, sustancialmente toda la capa de membrana es permeable a los gases. En algunas realizaciones, al menos una parte de la capa de membrana es permeable al oxígeno y el coeficiente de permeabilidad del oxígeno a través de la primera capa de membrana y/o segunda capa no membranosa no es inferior a aproximadamente 100 Barrer, normalmente no inferior a aproximadamente 300 Barrers, y convenientemente no menos de aproximadamente 400 Barrers. En algunas realizaciones el coeficiente de permeabilidad del oxígeno a través de la capa de membrana es convenientemente no inferior a aproximadamente al menos 500, al menos 650, al menos 750, adecuadamente al menos 820 Barrers. En algunas realizaciones al menos una parte de la capa de membrana es permeable al dióxido de carbono y el coeficiente de permeabilidad de la membrana al dióxido de carbono se selecciona de: no menos de al menos 2000, al menos 2200, al menos 2500, al menos 2800, al menos 2900, al menos 3000, al menos 3100, al menos 3200, al menos 3300, al menos 3400, al menos 3500, al menos 3600 , al menos 3700, al menos 3800, convenientemente al menos 3820 Barrers.

En algunas realizaciones, la capa de membrana comprende un material seleccionado de uno de: siliconas, polisiloxanos, polidimetilsiloxanos (PDMS), fluorosiliconas y organosiliconas, preferiblemente en el que el material comprende polidimetilsiloxanos (PDMS) o elastómeros de los mismos.

En algunas realizaciones, al menos un microorganismo fotosintético está comprendido dentro de la unidad. En algunas realizaciones el microorganismo fotosintético se selecciona de: Haematococcus sp., Haematococcus pluvialis, Chlorella sp., Chlorella autotraphica, Chlorella vulgaris, Scenedesmus sp., Synechococcus sp., Synechococcus elongatus, Synechococcus marinus, Synechocystis sp., Arthrospira sp., Arthrospira platensis, Arthrospira maxima, Spirulina sp., Chlamydomonas sp., Chlamydomonas reinhardtii, Geitlerinema sp., Lyngbya sp., Chroococcidiopsis sp., Calothrix sp., Cyanothece sp., Oscillatoria sp., Gloeothece sp., Microcoleus sp., Microcystis sp., Nostoc sp., y Anabaena sp, preferiblemente en el que el microorganismo fotosintético se selecciona de Dunaliella salina y Synechococcus marinus.

En algunas realizaciones la unidad de fotobiorreactor comprende además al menos una estructura de control de flujo; y/o al menos un soporte biológico.

En algunas realizaciones, el dispositivo de la invención comprende además un sistema auxiliaren comunicación fluida con la unidad de fotobiorreactor, preferiblemente en el que el sistema auxiliar comprende al menos uno del grupo que consta de: conductos; depósitos; bombas; válvulas; separadores de biomasa; sistemas de iluminación; sistemas de control de temperatura; sensores; y ordenadores/controladores de CPU.

En algunas realizaciones, el dispositivo de la invención comprende además: un depósito de fluido que está en comunicación fluida con el puerto de entrada y salida de dicha al menos una unidad de fotobiorreactor; una bomba para mantener la circulación del fluido en todo el sistema, y opcionalmente un colector de biomasa.

La invención también proporciona un proceso para fabricar biomasa que comprende cultivar un microorganismo fotosintético dentro de un dispositivo como se establece en cualquiera de los aspectos 1 a 12, y recolectar la biomasa del dispositivo.

La invención también proporciona un proceso para tratar aguas residuales que comprende cultivar un microorganismo fotosintético dentro de un dispositivo de la invención, haciendo pasar las aguas residuales a través del dispositivo de manera que el microorganismo fotosintético dentro del dispositivo elimine o remedie las toxinas de las aguas residuales.

La invención también proporciona un proceso para eliminar un contaminante atmosférico que comprende cultivar un microorganismo fotosintético dentro de un dispositivo de la invención, exponiendo el dispositivo a una atmósfera que contiene el contaminante de manera que el microorganismo fotosintético dentro de un dispositivo elimine o remedie el contaminante de la atmósfera.

Se apreciará que los aspectos y realizaciones de la invención pueden estar sujetos a combinaciones adicionales de características no mencionadas explícitamente anteriormente pero que se describen en detalle aquí.

Dibujos

La invención se ilustra adicionalmente con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La figura 1 muestra una vista en corte (sección A de la figura 27a) de un dispositivo según una realización de la invención que tiene una primera y una segunda capas de membrana representadas por un rayado de triple línea.

La figura 2 muestra una vista en corte (sección A de la figura 27a) de un dispositivo según una realización de la invención, en la que tanto la primera como la segunda capa son capas de membrana y en la que un componente adicional está ubicado dentro de la unidad formada por las dos capas. El rayado simple en la dirección inversa indica el componente adicional.

La figura 3 muestra una vista en corte de una unidad según una realización de la invención en la que tanto la primera como la segunda capa son capas de membrana y en la que un soporte biológico recubre la superficie interna de ambas capas. El color de relleno gris representa el recubrimiento de soporte biológico.

La figura 4 muestra una vista en corte de una unidad según una realización de la invención en la que tanto la primera como la segunda capa son capas de membrana y en la que la superficie interna de una capa de membrana está recubierta con un soporte biológico. El relleno punteado/con cruces pequeñas indica el componente adicional poroso.

La figura 5 muestra una vista en corte de una unidad según con una realización de la invención que tiene una primera y una segunda capas de membrana, en la que un componente adicional está ubicado dentro de la unidad formada por las dos capas de membrana y en la que el componente adicional está recubierto en ambos lados con un soporte biológico.

La figura 6 muestra una vista en corte de una unidad según una realización de la invención que tiene una primera y una segunda capas de membrana, en la que un componente adicional está ubicado dentro de la unidad formada por las dos capas de membrana y en la que el componente adicional está recubierto por un lado/superficie con un soporte biológico.

La figura 7 muestra una vista en corte de una unidad según una realización de la invención que tiene una primera y una segunda capa de membrana, en la que la superficie interior de cada capa de membrana está en contacto con un componente poroso adicional.

La figura 8 muestra una vista en corte de una unidad según una realización de la invención que tiene una primera y una segunda capas de membrana , en la que la superficie interior de una capa de membrana está en contacto con un componente poroso adicional.

La figura 9 muestra una vista en corte de una unidad según una realización de la invención que tiene una primera y una segunda capas de membrana, en la que un componente adicional poroso está ubicado dentro de la unidad formada por las dos capas de membrana.

La figura 10 muestra una versión ahusada en vista frontal simple de la unidad según una realización de la invención, que tiene un conducto de fluidos con una entrada y una salida ubicadas en lados opuestos.

La figura 11 muestra una versión ahusada en vista frontal simple del dispositivo según una realización de la invención, que tiene dos conductos de fluidos con una entrada y una salida situadas en lados opuestos del dispositivo y una única estructura de control.

La figura 12 muestra una versión ahusada en vista frontal del dispositivo según una realización de la invención, que tiene múltiples conductos de fluidos. La parte central tiene estructuras de control de flujo tanto lineales como ahusadas.

La figura 13 muestra una versión ahusada de vista frontal del dispositivo según una realización de la invención, que tiene múltiples estructuras circulares de control de flujo, que crean múltiples caminos diferentes.

La figura 14 muestra una disposición que está configurada para aumentar la superficie específica del dispositivo. Hay múltiples porciones que sobresalen radialmente hacia afuera, cada una de las cuales comprende estructuras de control de flujo como se describe en la figura 12.

La figura 15 muestra una representación de un dispositivo según una realización de la invención, en el que la entrada y la salida están situadas una al lado de la otra, en el mismo lado del dispositivo. Hay una estructura de flujo de control lineal, que forma un solo canal dentro del bolsillo.

La figura 16 también muestra una versión del dispositivo según una realización de la invención en la que la entrada y la salida están situadas una al lado de la otra, en el mismo lado del dispositivo. En esta representación de vista frontal del dispositivo, la parte central tiene estructuras de control de flujo tanto lineales como ahusadas, que crean canales bifurcados.

La figura 17 muestra un dispositivo lineal según una realización de la invención que tiene un conducto de fluidos con una entrada y una salida ubicadas en lados opuestos.

La figura 18 muestra un dispositivo lineal según una realización de la invención que tiene dos conductos de fluidos con una entrada y una salida situadas en lados opuestos del dispositivo y una única estructura de control en la parte central.

La figura 19 muestra un dispositivo según una realización de la invención que incluye múltiples estructuras de control de flujo circulares, que crean múltiples caminos diferentes.

La figura 20 muestra una versión del dispositivo según una realización de la invención que tiene cuatro ramas, que tiene múltiples aberturas que actúan tanto como entradas como salidas.

La figura 21 muestra una disposición según una realización de la invención que tiene múltiples partes sobresalientes, creando múltiples canales.

La figura 22 muestra un dispositivo lineal en forma de U según una realización de la invención con un solo canal creado por una estructura de control de flujo lineal. Tanto la entrada como la salida están ubicadas en el mismo lado del dispositivo.

La figura 23a muestra un dispositivo rectangular según una realización de la invención con un solo conducto de fluidos que sigue un camino tortuoso creado por múltiples estructuras de control, teniendo una entrada y una salida ubicadas en lados opuestos del dispositivo.

La figura 23b muestra un dispositivo rectangular de acuerdo con una realización de la invención con un solo conducto de fluidos que sigue una trayectoria curva tortuosa creada por múltiples estructuras de control. Tanto la entrada como la salida están ubicadas en el mismo lado del dispositivo.

La figura 24 es un ejemplo de una matriz modular de múltiples dispositivos según una realización de la invención que comprende dispositivos ahusados e intercalados.

La figura 25 es un ejemplo de una matriz modular de múltiples dispositivos según una realización de la invención que comprende dispositivos lineales.

La figura 26 es un ejemplo de una matriz modular de múltiples dispositivos según una realización de la invención que están configurados para ocupar un espacio rectangular. Cada dispositivo individual mostrado en esta representación es un dispositivo dentro del alcance de la invención.

La figura 27a muestra las secciones planas A y B a través de una representación de un dispositivo según una realización de la invención y se incluye para ayudar a comprender los otros dibujos proporcionados en este documento.

La figura 27b muestra la sección plana C a través de una representación del dispositivo según una realización de la invención que tiene una sola capa de membrana plegada sobre sí misma y unida formando así una unidad.

La figura 27c muestra la sección plana D a través de una representación del dispositivo según una realización de la invención que tiene una estructura de control central y se incluye para ayudar a comprender los otros dibujos proporcionados en este documento.

La figura 28a muestra una vista en corte (sección B de la figura 27a) de una unidad según una realización de la invención que tiene una primera y una segunda capas de membrana unidas entre sí a través de una interfaz de pegamento.

La figura 28b muestra una vista en corte (sección B de la figura 27a) de una unidad según una realización de la invención que tiene una primera y una segunda capas de membrana con un componente estructural entre ellas, en la que las membranas se unen a superficies opuestas del componente estructural a través de una interfaz de pegamento.

La figura 29a muestra una vista en corte (sección D de la figura 27c) de una unidad según una realización de la invención que tiene una primera y una segunda capas de membrana unidas entre sí a través de una interfaz de pegamento. La unión central forma una estructura de control que crea dos conductos de fluidos.

La figura 29b muestra una vista en corte (sección D de la figura 27c) de una unidad según una realización de la invención que tiene una primera y una segunda capas de membrana con un componente estructural entre ellas, en la que las membranas se unen a superficies opuestas del componente estructural a través de una interfaz de pegamento. La unión central forma una estructura de control que crea dos conductos de fluidos.

La figura 30 muestra una vista en corte (sección D de la figura 27c) de un dispositivo según una realización de la invención que representa una composición mixta de técnicas de unión.

La figura 31 muestra una vista en corte (sección D de la figura 27c) de un dispositivo según una realización de la invención, en el que una fuente de luz artificial está incluida dentro del dispositivo y específicamente dentro de una estructura de control (indicada por un rayado de línea simple y discontinua) ubicada entre la primera y la segunda capa de membrana.

La figura 32a muestra una vista en corte (sección C de la figura 27b) de un dispositivo según una realización de la invención, en el que la unidad está compuesta por una sola extrusión de capa de membrana en forma de tubo que se pliega y se une a sí misma en un extremo a través de una interfaz de pegamento.

La figura 32b muestra una vista en corte (sección C de la figura 27b) de un dispositivo según la figura 32a, que tiene una configuración plegada y un componente estructural insertado, en el que la membrana se une a sí misma a través de una interfaz de pegamento.

La figura 33a muestra una vista en corte de una unidad según una realización de la invención que tiene una primera y una segunda capas de membrana, en la que un componente adicional está ubicado dentro de la unidad formada por las dos capas de membrana.

La figura 33b muestra una vista en corte de una unidad según la figura 33a, que tiene un componente estructural insertado entre las membranas, que están unidas a través de una interfaz de pegamento.

La figura 34 muestra una vista en corte de una unidad según una realización de la invención que tiene una primera y una segunda capas de membrana y que representa las direcciones de permeación del gas a través de las capas de membrana.

La figura 35 muestra un esquema de un sistema auxiliar según una realización de la invención que controla la generación y la recolección de biomasa de un solo dispositivo.

La figura 36 es una ilustración de un ciclo de generación y recolección de biomasa (ya sea de forma continua o discontinua) utilizando el dispositivo según una realización de la invención.

La figura 37 es una ilustración de un ciclo de generación y recolección de biomasa (ya sea de forma continua o discontinua) utilizando el dispositivo según una realización de la invención.

La figura 38 muestra una vista en corte (sección B de la figura 27a) de un dispositivo según una realización de la invención, en el que la unidad está compuesta por una única extrusión de capa de membrana con forma de tubo.

La figura 39 muestra una vista en corte (sección A de la figura 27a) de un dispositivo según una realización de la invención que tiene una capa de membrana y una capa que no membranosa.

La figura 40 muestra un esquema de un sistema según una realización de la invención descrita en el ejemplo.

La figura 41a muestra los resultados del ejemplo en forma de gráfico de concentración de oxígeno en el medio líquido para la primera ejecución experimental (ejecución A).

La figura 41b muestra los resultados del ejemplo en forma de gráfico de concentración de oxígeno en el medio líquido para la segunda ejecución experimental (ejecución B).

Descripción detallada

A menos que se defina de otro modo, todos los términos y expresiones técnicos y científicos utilizados en el presente documento tienen el mismo significado que comúnmente entienden los expertos en la materia a la que pertenece esta invención.

Los presentes inventores han desarrollado un dispositivo fotobiorreactor permeable a los gases adecuado para generar biomasa. De modo ventajoso, la biomasa se puede generar continuamente dentro del dispositivo y se puede recolectar continuamente. La cantidad de biomasa generada se puede aumentar u optimizar, por ejemplo, combinando una pluralidad de unidades de manera modular u optimizando la forma y/o el grosor del dispositivo y sus componentes o utilizando diferentes microorganismos. Además, las realizaciones de la invención también se pueden usar para facilitar la transferencia controlada de gases, tales como oxígeno y/o dióxido de carbono, entre la atmósfera exterior y el medio líquido dentro de la unidad, que se usa para cultivar los microorganismos.

Las realizaciones de la invención están optimizadas para maximizar la eficiencia fotosintética de los microorganismos fotosintéticos contenidos en ella y, por lo tanto, para maximizar la eficiencia de generación de biomasa.

Antes de seguir exponiendo la invención, se proporcionan una serie de definiciones que ayudarán en la comprensión de la invención.

Tal como se usa en el presente documento, la expresión "que comprende" significa que cualquiera de los elementos enumerados está necesariamente incluido y, opcionalmente, también pueden incluirse otros elementos. "Que consiste esencialmente en" significa que todos los elementos enumerados están necesariamente incluidos, los elementos que afectarían materialmente las características básicas y novedosas de los elementos enumerados están excluidos, y otros elementos pueden incluirse opcionalmente. "Compuesto por" significa que todos los elementos distintos de los enumerados están excluidos. Las realizaciones definidas por cada uno de estos términos y expresiones están dentro del alcance de esta invención.

Como sabrán los expertos en la materia, el término "fotosíntesis" se refiere a un proceso bioquímico que tiene lugar en las plantas verdes y otros organismos fotosintéticos, incluidos los microorganismos fotosintéticos, incluidas las algas y las cianobacterias. El proceso de fotosíntesis utiliza la luz para convertir el dióxido de carbono y el agua en metabolitos y oxígeno. Tal como se usa en el presente documento, la expresión "microorganismo fotosintético" se refiere a cualquier microorganismo que sea capaz de realizar la fotosíntesis. Tal como se usa en el presente documento, los términos relacionados "fototrófico" y "fotosintetizante" son sinónimos de "fotosintético" y los dos términos se pueden usar indistintamente en el presente documento.

Tal como se usa en el presente documento, el término "translúcido" tiene su significado habitual en la técnica y se refiere a un material permeable a la luz que permite el paso de la luz, lo que da como resultado la dispersión interna aleatoria de los rayos de luz. El término es sinónimo de "semitransparente".

Tal como se usa en el presente documento, el término "transparente" tiene su significado ordinario en la técnica y se refiere a un material que permite que la luz visible lo atraviese, de modo que los objetos se pueden ver claramente al otro lado del material, en otras palabras, se puede describir como "ópticamente transparente". Todos los materiales de membrana y no membranosos, componentes adicionales, estructuras de control, recubrimientos y otros materiales descritos en el presente documento pueden ser sustancialmente translúcidos o sustancialmente transparentes.

Tal como se usa en el presente documento, el término "permeable" o la expresión "permeable a los gases" significa un material que permite que los gases, en particular el oxígeno (O2), dióxido de carbono (CO2), nitrógeno (N2) y, opcionalmente, metano (CH4), puedan ser transferidos de un lado del material al otro, en una o ambas direcciones. Tal como se usa en el presente documento, los términos relacionados "respirable" y "semipermeable" son sinónimos de "permeable" y los dos términos se pueden usar indistintamente en este documento. Típicamente, el material está en forma de lámina, película o membrana. La permeación está directamente relacionada con el gradiente de concentración del permeante (tal como un gas), la permeabilidad intrínseca de un material y la difusividad de las especies permeantes en el material de la membrana.

La permeabilidad de un gas a través de un material específico se mide en el presente documento en Barrers. El Barrer mide la velocidad de un flujo de gas que pasa a través de un área de material con un espesor, impulsado por una presión dada. Los Barrers generalmente se calculan a 23 °C (+-2 °C) y se definen como:

cmljp ■ cm

1 B arrer = 10 10

cm2 ■ s ■ cmHg

Se apreciará que el Barrer es la medida más común de la permeabilidad a los gases en el uso actual, particularmente en relación con las membranas permeables a gases; sin embargo, la permeabilidad también se puede definir mediante otras unidades, ejemplos de las cuales incluyen kmol.m.m'2.s'1.kPa'1, m3.m.m"2.s" 1.kPa-1, o kg. mm'2.s'1.kPa'1. La norma ISO 15105-1 especifica dos métodos para determinar la tasa de transmisión de gases de una película o lámina de plástico de una sola capa y de estructuras de múltiples capas bajo una presión diferencial. Un método usa un sensor de presión, el otro un cromatógrafo de gases, para medir la cantidad de gas que permea a través de una muestra de prueba. Los expertos en la materia conocen otras mediciones equivalentes de la permeabilidad a los gases y podrán equivaler fácilmente a las medidas de Barrer descritas en el presente documento.

Tal como se usa en el presente documento, el término y la expresión "poroso" y "no poroso" se refieren a la porosidad de un material como un medio para clasificar el mecanismo por el cual los penetrantes permean a través del material. Los materiales de la membrana se denominan porosos si las partículas de gas migran a través de un movimiento directo a través de una estructura microporosa, y no porosos si el transporte de las especies permeantes de un lado de la membrana al otro se produce a través de mecanismos físicos/químicos más complejos.

Tal como se usa en el presente documento, el término "biomasa" se refiere a cualquier microorganismo vivo o muerto, incluyendo cualquier parte de un microorganismo (incluyendo metabolitos y subproductos expulsados por el microorganismo). En el contexto de la presente invención, el término "biomasa" incluye, en particular, los productos sintéticos de la fotosíntesis, como se ha descrito anteriormente.

Tal como se usa en el presente documento, el término “sorción” tiene su significado habitual en la técnica y es una medida de la tendencia de un material a absorber y transmitir agua y otros líquidos por capilaridad. Un término relacionado, "higroscópico", también se refiere a la capacidad de una sustancia para atraer y retener moléculas de agua del entorno circundante. Los dos términos se pueden usar indistintamente en este documento.

Tal como se usa en el presente documento, el término "biopelícula" se refiere a un grupo de microorganismos en los que las células se unen entre sí sobre una superficie.

Tal como se usa en el presente documento, el término "bolsillo" también se refiere a "unidad" y los dos términos se pueden usar indistintamente en este documento.

Tal como se usa en el presente documento, el "dispositivo" puede estar compuesto por una "unidad" o "bolsillo", o puede comprender una matriz o combinación de una pluralidad de "unidades" o "bolsillos".

Tal como se usa en el presente documento, el término "fluido" se refiere a un material capaz de fluir, típicamente un medio líquido y adecuadamente un medio líquido, que está comprendido dentro de las unidades y, por lo tanto, los dispositivos de la invención.

Tal como se usa en el presente documento, la expresión “medio líquido” tiene su significado habitual en la técnica y es un líquido que se usa para cultivar a los microorganismos y que contiene los microorganismos. Los medios líquidos pueden comprender uno o más de los siguientes: agua dulce, agua salada, disolución salina, salmuera, agua de mar, aguas residuales, nutrientes, fosfatos, nitratos, vitaminas, minerales, micronutrientes, macronutrientes, metales, medios de crecimiento de microorganismos, medio de cultivo BG11 cultivo y microorganismos.

De manera similar, las expresiones relacionadas "canal de agua", "canal de fluidos", "conducto de fluidos", "conducto de medios líquidos" y "canal de medios líquidos" son sinónimos y las expresiones se pueden usar indistintamente en este documento.

Tal como se usa en el presente documento, los términos relacionados "fotobioconvertidor" y "fotobiorreactor" son sinónimos y los dos términos se pueden usar indistintamente en este documento.

Las capas exteriores

Según una realización de la invención, se proporciona un dispositivo que comprende una unidad que incluye capas exteriores que son capas de membrana. Una capa de membrana puede ser flexible, aunque, según una realización típica, ambas capas de membrana son flexibles. Al menos una parte de una de las capas de membrana, y opcionalmente tanto la primera capa de membrana como la segunda capa de membrana, es altamente permeable a la transmisión de gases a través de la membrana. El coeficiente de permeabilidad del oxígeno a través de la membrana no es inferior a aproximadamente 100 Barrer, en general de aproximadamente 300 Barrer, y de modo adecuado de aproximadamente 400 Barrer. En una realización específica de la invención, el coeficiente de permeabilidad del oxígeno a través de la membrana no es inferior a aproximadamente 500 Barrer y posiblemente superior. El coeficiente de permeabilidad del dióxido de carbono a través de la membrana no es inferior a aproximadamente 1000 Barrer, de modo conveniente aproximadamente 2500 Barrer y en general aproximadamente 3000 Barrer. En una realización específica de la invención, el coeficiente de permeabilidad del dióxido de carbono a través de la membrana no es inferior a aproximadamente 3200 Barrer. Tal como se usa en este contexto, la expresión "al menos una parte" significa un área de la capa que tiene un tamaño suficiente para permitir que un gas atraviese la capa exterior de la unidad. El gas es típicamente oxígeno y dióxido de carbono, pero no se limita a ellos, y puede comprender nitrógeno, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre y/o metano.

El dispositivo puede iluminarse desde una sola dirección o desde múltiples direcciones. Si el dispositivo se coloca de manera que recibe luz principalmente de una sola dirección y una (primera) capa de membrana es menos transparente o menos translúcida que la otra (segunda) capa de membrana, la primera capa de membrana puede estar en el lado del dispositivo enfrentado a la fuente de luz primaria. En una realización particular, la primera capa de membrana está situada en el lado del dispositivo opuesto a la fuente de luz.

Típicamente, la capa de membrana es al menos translúcida y, de manera adecuada, sustancialmente transparente.

Normalmente, una capa de membrana comprende uno o más materiales permeables a los gases. Es importante que el material permeable a los gases no sea permeable a los líquidos, para evitar que los medios líquidos del interior de la unidad se filtren hacia el exterior de la unidad. El material permeable a los gases puede ser poroso (incluidos los materiales permeables a los gases de estructura microporosa) o no poroso. Los materiales permeables al gas se denominan porosos si las partículas de gas pueden migrar a través de un movimiento directo a través de una estructura microporosa. Si el material permeable a los gases es poroso, es importante que sea sustancialmente impermeable a los líquidos. Convenientemente, el material permeable a los gases no es poroso, para evitar también la permeación de líquidos a través del material permeable a los gases y para evitar transparencias más bajas que podrían relacionarse con la porosidad del material.

El material permeable a los gases puede ser un polímero, tal como un polímero permeable a los gases químicamente optimizado. Los polímeros químicamente optimizados pueden ser ventajosos frente a los correspondientes polímeros no modificados porque pueden ser más baratos, más resistentes al desgarro, hidrofóbicos, antiestáticos, más transparentes, más fáciles de fabricar, menos quebradizos, más elásticos, más permeables a los gases y selectivamente permeables a gases específicos. Las modificaciones químicas en los polímeros se pueden realizar de cualquier forma conocida por los expertos en la materia, como por ejemplo modificando la composición química del monómero, la cadena principal, las cadenas laterales, los grupos terminales y/o el uso de diferentes agentes de curado, reticuladores, rellenos, procesos de vulcanización, manufactura, fabricación y otros métodos.

La capa de membrana puede comprender cualquier material permeable a los gases adecuado que incluye, entre otros: siliconas, polisiloxanos, polidimetilsiloxanos (PDMS), fluorosilicona, organosiliconas, celulosa (incluyendo celulosa vegetal y celulosa bacteriana), acetato de celulosa (celuloide), nitrocelulosa y celulosa ésteres

En una realización adecuada, la capa de membrana comprende polisiloxanos, opcionalmente polisiloxanos optimizados. Los polisiloxanos pueden modificarse químicamente o modificarse mecánicamente. Típicamente, la capa de membrana comprende elastómeros de polisiloxano. Se ha descubierto que los polisiloxanos son buenos candidatos para las membranas permeables a los gases también gracias a los enlaces Si-O en la estructura del polímero, lo que facilita una mayor rotación de los enlaces, lo que aumenta la movilidad de la cadena y, por lo tanto, aumenta los niveles de permeabilidad. Además, los elastómeros de polisiloxano (como el caucho de silicona) son materiales flexibles, tolerantes a la radiación UV y resistentes.

En una realización, la capa de membrana comprende polidimetilsiloxanos (PDMS), polidimetilsiloxanos adecuadamente optimizados. Normalmente, la capa de membrana comprende elastómeros de polidimetilsiloxano (PDMS). Los polidimetilsiloxanos (PDMS) pueden adoptar la forma de un elastómero, una resina o un fluido. El elastómero PDMS se forma utilizando un agente de reticulación. El PDMS es un material permeable a los gases típico debido a su altísima permeabilidad al oxígeno y al dióxido de carbono, su transparencia óptica y su tolerancia a la radiación UV. Estos elastómeros normalmente no admiten el crecimiento microbiológico en su superficie y, por lo tanto, evitan el crecimiento descontrolado de biopelículas y/o bioincrustaciones que pueden reducir la eficacia del dispositivo para generar biomasa (protección de luz). Opcionalmente, se puede facilitar el crecimiento de una biopelícula utilizando soportes biológicos y/o componentes adicionales como se describe a continuación. Además, los elastómeros de polidimetilsiloxanos (PDMS) son materiales flexibles y resilientes.

Los polidimetilsiloxanos (PDMS) pueden modificarse químicamente o modificarse mecánicamente para aumentar su permeabilidad a los gases y/o cambiar sus propiedades. Los elastómeros de PDMS suelen tener una permeabilidad al oxígeno de al menos 350, al menos 400, al menos 450, al menos 550, al menos 650, al menos 750, adecuadamente al menos 820 Barrers y una permeabilidad al dióxido de carbono de al menos 2000, al menos 2500 , al menos 2600, al menos 2700, al menos 2800, al menos 2900, al menos 3000, al menos 3100, al menos 3200, al menos 3300, al menos 3400, al menos 3500, al menos 3600, al menos 3700, al menos al menos 3800, convenientemente al menos 3820 Barrers. Las propiedades del PDMS utilizado en las realizaciones de esta invención se pueden optimizar mediante intervenciones químicas, mecánicas e impulsadas por procesos relacionadas, entre otras, con la masa molar (Mm) de las cadenas poliméricas, la dispersión en el polímero (la dispersión es la proporción entre la masa molar media ponderada y la masa molar numérica media), la temperatura y la duración del tratamiento térmico durante el curado, la proporción entre el agente de reticulación y el PDMS, la composición química del agente de reticulación, diferentes grupos finales (como PDMS terminados en metilo, hidroxi y vinilo) que pueden influir en el modo en que se forman las estructuras de PDMS unidas en los extremos durante la reticulación.

En otra realización, la capa de membrana comprende celulosa bacteriana. Si bien la celulosa bacteriana tiene la misma fórmula molecular que la celulosa vegetal, tiene propiedades y características macromoleculares significativamente diferentes. En general, la celulosa bacteriana es químicamente más pura y no contiene hemicelulosa ni lignina. Además, la celulosa bacteriana se puede producir sobre una diversidad de sustratos y se puede cultivar prácticamente en cualquier forma, debido a la alta moldeabilidad durante la formación. Además, la celulosa bacteriana tiene una estructura más cristalina en comparación con la celulosa vegetal y forma microfibrillas similares a cintas delgadas características que son significativamente más pequeñas que las de la celulosa vegetal, lo que hace que la celulosa bacteriana sea mucho más porosa. Los expertos en la materia conocerán una serie de sistemas bacterianos diseñados para optimizar la producción de celulosa, tales como el sistema biosintético de celulosa de Acetobacter sp., Azotbacter sp., Rhizobium sp., Pseudomonas sp., Salmonella sp. y Alcaligenes sp., que se pueden expresar en E. coli, por ejemplo. La celulosa bacteriana se puede tratar de manera que su superficie proporcione una interfaz química para permitir la unión con las moléculas.

La segunda capa también puede ser una capa de membrana, es decir, una capa permeable a los gases, como se define anteriormente, o puede estar compuesta por una capa no membranosa, que comprende cualquier material adecuado, tal como un material natural o sintético. Convenientemente, la segunda capa es al menos translúcida y típicamente transparente. La segunda capa es adecuadamente transpirable.

En una realización típica, tanto la primera como la segunda capa son capas de membrana permeables a los gases, tal como se define en el presente documento.

En realizaciones en las que la segunda capa es una capa no membranosa, esta puede haber sido procesada o tratada mecánicamente para tener una superficie rugosa o porosa. Esto permite que los microbios se adhieran al material y facilita el desarrollo de una biopelícula sobre la superficie interna de la capa.

La capa no membranosa puede estar compuesta por cualquier material adecuado. El material puede tener una superficie rugosa o porosa, o puede haber sido tratado o modificado para producir una superficie rugosa o porosa.

En una realización adecuada, la primera y la segunda capa se unen mediante adhesión y/o termoprensado. El termoprensado utiliza la aplicación de calor y presión durante un período de tiempo predeterminado para formar una soldadura. Los expertos en la materia estarán familiarizados con las técnicas de termoprensado adecuadas para esta aplicación. La temperatura y la duración precisas requeridas para unir partes de la primera y la segunda capa dependerán de los materiales específicos comprendidos en las dos capas. Como alternativa o además, se puede usar una interfaz de pegamento para unir porciones de las dos capas; una vez aplicada sobre las capas, la interfaz de pegamento puede curarse utilizando técnicas de termoprensado, o puede curarse espontáneamente a temperatura ambiente o puede curarse usando solo calor o presión. Tal como se usa en el presente documento, la expresión “ interfaz de pegamento” también incluye el uso de polímeros no cristalizados (no vulcanizados) que pueden unir las dos capas con calor o presión en húmedo. Tal como se usa en el presente documento, los términos y expresiones relacionados "interfaz de pegamento", "adhesivo" e "interfaz adhesiva" son sinónimos, y los tres términos y expresiones se pueden usar indistintamente en este documento.

El grosor de la interfaz de pegamento varía según su composición, el material y el material de la capa. Convenientemente, el grosor de la interfaz de pegamento no es inferior a 10 micrómetros, adecuadamente 20 micrómetros, típicamente 50 micrómetros. Típicamente, el espesor de la interfaz de pegamento no es mayor de 5 mm, opcionalmente 1 mm, adecuadamente 600 micras, típicamente 200 micras.

Más específicamente, si la primera y la segunda capas están compuestas de polisiloxanos y/o dimetilpolisiloxanos (PDMS), las dos capas se pueden unir usando adhesivos de silicona que pueden estar en forma de gel líquido viscoso, en forma de capa, en forma de cinta de capa y/o puede comprender todos los tipos de adhesivos de silicona que pueden curar por debajo o por encima de 22 °C. Después de aplicar el adhesivo de silicona en ambas capas, las áreas de unión generalmente se presionan durante un período de tiempo determinado según lo dicta el tipo de adhesivo de silicona y, si el tipo de adhesivo de silicona utilizado también necesita calor para curar, se calienta a una temperatura determinada. temperatura y por un período de tiempo determinado según el tipo de adhesivo de silicona que se utilice.

Los tipos de posibles adhesivos de silicona incluyen, entre otros, pegamentos de silicona y capas adhesivas de silicona, tales como el VVB Birzer ADT-X (que se adhiere con termopresión durante 30 a 60 segundos a presiones entre 1 y 15 N/cm2 y temperaturas entre 140 y 180 °C) con espesores entre 0,20 mm y 0,60 mm, el adhesivo de transferencia de silicona Adhesives Research Arclad® IS-7876 (que es un adhesivo piezosensible que se adhiere con presión y temperaturas superiores a ~5 °C) con espesores entre 25 y 100 micrómetros. Como alternativa, la interfaz adhesiva de silicona puede estar compuesta por una capa delgada de polisiloxano y/o dimetilpolisiloxano (PDMS) sin curar, que se puede mezclar con su agente de reticulación y aplicarse rápidamente en las regiones de unión previstas en las capas, luego presionar y calentar para curar, con lo que se unen las dos capas.

En algunas realizaciones, la "interfaz de pegamento" y/o el adhesivo de silicona se pueden usar para unir las dos capas en la región en la que normalmente se ubica el conducto de fluidos. Esta unión creará una estructura de control para controlar el flujo del medio líquido, dividiendo o desviando los conductos de fluidos en múltiples conductos. Las estructuras de control/regiones unidas aumentan la integridad estructural del dispositivo, facilitan el flujo de medios líquidos y aumentan el control del volumen, el grosor y la forma del dispositivo cuando la unidad se infla por la presión del fluido.

En algunas realizaciones, se puede colocar un "componente estructural" entre las dos capas en las regiones de unión para reforzar la estructura general de la unidad y controlar mejor el grosor y la forma de la unidad cuando se infla la unidad. Estos componentes estructurales tendrán un espesor igual al espesor previsto de la unidad, y su longitud y forma de perfil seguirán la forma y el perfil de unión previstos, al menos parcialmente. El componente estructural se puede unir a las dos capas por adhesión y/o termoprensado. La temperatura y la duración precisas requeridas para unir porciones de la primera y segunda capas al componente estructural dependerán de los materiales específicos usados de las dos capas y del componente estructural. Como alternativa o además, se puede usar una interfaz de pegamento para unir porciones de las dos capas al componente estructural.

El material del componente estructural puede incluir, entre otros, polímeros flexibles, tales como siliconas, polisiloxanos, elastómeros de polisiloxano, polidimetilsiloxanos (PDMS) y elastómeros de PDMS, y polímeros rígidos, incluidos polímeros rígidos ópticamente transparentes.

Como alternativa o además, se puede usar una interfaz de pegamento para unir porciones de las dos capas junto con el componente estructural entre las dos capas en las regiones de unión previstas. Una vez que la interfaz de pegamento se aplica sobre las capas y sobre el componente estructural, la interfaz de pegamento puede curarse utilizando técnicas de termoprensado o puede curarse espontáneamente a temperatura ambiente o puede curarse usando solo calor o presión.

En algunas realizaciones, el componente estructural, unido a las dos capas con o sin una interfaz de pegamento, se puede usar para unir las dos capas en la región en la que normalmente se ubica el conducto de fluidos. Esta unión crea una estructura de control para controlar el flujo de los medios líquidos que dividen el conducto de fluidos en múltiples conductos de fluidos. Las estructuras de control/regiones que unen componentes estructurales aumentan la integridad estructural del dispositivo, facilitan el flujo de medios líquidos y/o aumentan el control del volumen, el grosor y la forma del dispositivo cuando la unidad se infla por la presión del fluido.

La interfaz de pegamento y el componente estructural son adecuadamente translúcidos y normalmente transparentes.

En una realización adecuada, la unidad puede estar fabricada de una sola lámina de una capa de membrana permeable a los gases plegada sobre sí misma y los dos extremos de la única lámina pueden unirse definiendo así una unidad. Los métodos de unión son los mismos que los descritos anteriormente. Puede haber otra unión entre los dos lados de la capa plegada para crear estructuras de control como se describió anteriormente. El borde plegado puede actuar como un punto de fijación a una estructura de montaje o colector; el borde plegado también se puede sujetar o reforzar de otro modo.

En una realización, la unidad puede estar fabricada de una sola lámina de membrana permeable a los gases que se extruye en forma de tubo. En esta realización no hay necesidad de unir los extremos porque ya está cerrada por dos lados, definiendo así la unidad. Sin embargo, puede estar presente la unión entre los dos lados de la misma capa extruida para crear estructuras de control como se describió anteriormente. Los bordes pueden actuar como un punto de fijación a una estructura de montaje; el borde plegado también se puede sujetar o reforzar.

Componente adicional

En algunas realizaciones, el dispositivo de la invención comprende un componente adicional (por ejemplo, 14, 16, etc.) ubicado dentro del bolsillo o unidad. El objetivo principal de este componente es proporcionar una superficie para que los microorganismos se adhieran, formando así una biopelícula.

Este componente puede comprender cualquier material adecuado. El material puede tener una superficie rugosa o porosa, o puede haber sido tratado o modificado (por ejemplo, tratado de forma mecánica o recubierto) para producir una superficie rugosa o porosa. Como alternativa, el componente adicional puede ser completamente poroso y comprender cualquier material poroso adecuado, tal como un material esponjoso, una proteína, una matriz de andamiaje o una malla.

El componente adicional se puede colocar en cualquier lugar dentro de la unidad del dispositivo. En algunas realizaciones, el componente adicional está en contacto con el interior de una o ambas capas exteriores del dispositivo. El componente puede cubrir toda la superficie interior de las capas o solo una parte de la misma.

El componente adicional es adecuadamente al menos translúcido y típicamente transparente.

En algunas realizaciones, el componente adicional se puede recubrir por uno o ambos lados con un soporte biológico. En tal disposición, los microorganismos se adhieren al soporte biológico, en lugar de a la superficie del componente adicional, por lo que no es necesario que el componente adicional sea poroso ni que tenga una superficie rugosa o porosa; el componente adicional puede estar fabricado de cualquier material que pueda soportar el recubrimiento.

Soporte biológico

En una realización, el dispositivo de la invención comprende además un soporte biológico ubicado dentro del bolsillo formado por la primera y segunda capas. El soporte biológico es un material que proporciona una estructura física o una interfaz química para que se adhieran los microorganismos fotosintéticos. El soporte biológico puede modificarse para permitir la unión del microorganismo.

El soporte biológico comprende opcionalmente un recubrimiento, tal como un recubrimiento proteico y/o un recubrimiento químico. Típicamente, el recubrimiento de soporte biológico tiene un espesor no inferior a 0,1 nm, adecuadamente 0,5 nm, opcionalmente no inferior a unos 50 nm. En una realización, el recubrimiento de soporte biológico tiene un espesor de 1 nm. El soporte biológico puede tener un espesor de hasta 30 micrómetros, e incluso hasta 50 micrómetros en algunas realizaciones de la invención.

Convenientemente, el soporte biológico es al menos translúcido y típicamente transparente.

Como se mencionó anteriormente, la luz puede llegar al dispositivo desde una sola dirección o desde múltiples direcciones. Los microorganismos fotosintéticos ubicados dentro del dispositivo pueden ser atraídos (por ejemplo, mediante fototaxis) hacia el lado del dispositivo más cercano a la fuente de luz principal y pueden adherirse a la superficie interior del lado del dispositivo, formando una biopelícula. Sin embargo, esto puede no ser deseable, ya que la formación de una biopelícula en la superficie interior de la parte del dispositivo más cercana a la fuente de luz principal puede impedir que la luz llegue a otras partes del dispositivo. La presencia del componente de soporte biológico del dispositivo permite controlar la ubicación del crecimiento microbiano dentro del dispositivo y facilita el crecimiento en las ubicaciones deseadas. El componente de soporte biológico se puede usar para fomentar la formación de biopelículas en regiones del dispositivo que permitirán el paso óptimo de la luz a través del dispositivo y, por lo tanto, facilitará la máxima eficiencia fotosintética de los microorganismos fotosintéticos contenidos dentro del dispositivo y, por lo tanto, maximizará la eficiencia de generación y regeneración de biomasa. La posición del soporte biológico dentro del bolsillo puede variar según la composición y disposición específicas del dispositivo. Por ejemplo, el soporte biológico se puede ubicar cerca o en contacto con la superficie interna de una o ambas de la primera y la segunda capas. Puede cubrir parcial o totalmente la superficie interior de una o ambas capas. Como alternativa, el soporte biológico puede ubicarse centralmente dentro del bolsillo (es decir, no en contacto con la superficie interna de la primera o segunda capas). En una realización típica, si la luz llega al dispositivo principalmente desde una sola dirección, el soporte biológico se utiliza para estimular el crecimiento y la formación de biopelículas en el lado opuesto, el más alejado de la fuente de luz principal.

En las realizaciones de la invención que comprenden un componente de polímero o componente poroso adicional como se ha comentado anteriormente, el componente adicional puede estar parcial o totalmente recubierto por el soporte biológico.

Microorganismos

Se prevé que el microorganismo contenido dentro de la unidad del dispositivo sea capaz de realizar la fotosíntesis. Cualquier microorganismo que sea capaz de realizar la fotosíntesis se denomina en el presente documento un microorganismo fotosintético. En una realización adecuada, el microorganismo fotosintético se selecciona de microalgas (tales como algas verdes, verdeazuladas, pardas y rojas), fitoplancton, dinoflagelados, diatomeas, bacterias y cianobacterias, tales como Spirulina sp. El microorganismo puede ser una cepa de tipo salvaje o modificada genéticamente. Un solo dispositivo según las realizaciones de la invención puede comprender uno o más tipos diferentes de microorganismos.

Por lo general, al menos un microorganismo es un Haematococcus sp., Haematococcus pluvialis, Chlorella sp., Chlorella autotraphica, Chlorella vulgaris, Scenedesmus sp., Synechococcus sp., Synechococcus elongatus, Synechocystis sp., Arthrospira sp., Arthrospira platensis, Arthrospira maxima, Spirulina sp., Chlamydomonas sp., Chlamydomonas reinhardtii, Geitlerinema sp., Lyngbya sp., Chroococcidiopsis sp., Calothrix sp., Cyanothece sp., Oscillatoria sp., Gloeothece sp., Microcoleus sp., Microcystis sp., Nostoc sp., Anabaena sp.

Dunaliella salina y Synechococcus marinus son microorganismos típicos en realizaciones en las que el medio líquido que pasa a través de los canales en el dispositivo comprende agua salada.

Recubrimientos para prevenir la adherencia y el crecimiento microbiano

Para controlar dónde se adhieren y crecen los microorganismos para formar una biopelícula dentro del dispositivo, y dónde no crecen, cualquier componente del dispositivo descrito en el presente documento, o una parte del mismo, se puede recubrir con un recubrimiento hidrofóbico, hidrofílico o antimicrobiano o se puede ser tratado de modo mecánico o transformado física o químicamente de otra manera para tener características hidrofóbicas, hidrofílicas o antimicrobianas. Tal como se usa en este contexto, el término "porción" significa una cantidad suficiente del componente para proporcionara dicho componente características hidrófobas, hidrófilas o antimicrobianas.

El agente antimicrobiano puede ser una modificación física, tal como una superficie rugosa, o una modificación química, tal como un recubrimiento.

Los agentes antimicrobianos adecuados incluyen organosilanos, plata, aleaciones de plata, cobre y aleaciones de cobre.

Los recubrimientos hidrofóbicos típicos incluyen Teflon™, PTFE, poli(metacrilato de metilo) (PMMA), grafeno y nanotubos de carbono. Como sabrán los expertos en la materia, también es posible crear superficies "superhidrofóbicas", por ejemplo, usando fluorocarbonos.

Los recubrimientos hidrofílicos también pueden prevenir la unión microbiana y la formación de biopelículas. Convenientemente, tales recubrimientos hidrofílicos se basan en iones bipolares altamente hidratados, tales como glicina, betaína y sulfobetaína.

Estos recubrimientos evitan que los microorganismos ubicados dentro de la unidad se absorban a las superficies internas del componente. De esta forma, es posible controlar dónde se produce la adherencia y el crecimiento microbiano dentro del dispositivo. Esto es beneficioso para optimizar el paso de la luz a través del dispositivo, lo que da como resultado una fotosíntesis óptima por parte de los microorganismos fotosintéticos ubicados dentro del dispositivo y, por lo tanto, la generación óptima de biomasa. El control de la ubicación del crecimiento microbiano y la formación de biomasa de esta manera también ayuda y facilita la recolección óptima de biomasa del dispositivo.

Por ejemplo, puede ser deseable evitar que los microorganismos se adhieran al interior de la capa de membrana y formen una biopelícula, porque la formación de una biopelícula puede evitar que la luz alcance el interior del bolsillo del dispositivo. Esto puede ser particularmente importante en realizaciones en las que la capa de membrana se coloca en el lado del dispositivo que está más cerca de la fuente de luz. Por lo tanto, en una realización típica de la invención, al menos una parte del interior de la capa de membrana (es decir, el lado de la capa de membrana que está dentro del bolsillo formado por las dos capas exteriores) se recubre con una capa hidrófoba, hidrófila o antimicrobiana. recubrimiento o puede ser tratado mecánicamente o transformado física o químicamente de otra manera para tener características hidrofóbicas, hidrofílicas o antimicrobianas, para prevenir la adherencia y el crecimiento microbiano.

En otras realizaciones adecuadas, la superficie interior de la segunda capa se puede recubrir con un recubrimiento hidrófobo, hidrófilo o antimicrobiano o se puede tratar mecánicamente o transformar física o químicamente de otro modo para que tenga características hidrófobas, hidrófilas o antimicrobianas.

En los casos en que la luz llega al dispositivo principalmente desde una dirección, es típico fomentar el crecimiento microbiano sobre la superficie interior de la capa exterior que se encuentra más alejada de la fuente de luz principal.

Conductos de fluidos

Uno o más conductos de fluidos adecuados como canales para dirigir medios líquidos y agua, que tienen una entrada (1) y una salida (2), están dispuestos dentro de la unidad para optimizar los caudales de fluido a través de las unidades. En una realización particular, pueden comprender conductos de medios líquidos. Las velocidades del fluido adecuadas, pero no limitantes, no son inferiores a aproximadamente 1 ml/min, normalmente 50 ml/min y, opcionalmente, 200 ml/min. Según el tamaño del sistema y la configuración, también son posibles caudales de hasta 30 l/min, 10 l/min y alrededor de 1 l/min. La velocidad del fluido puede variar según la actividad fotosintética de los microorganismos fotosintéticos contenidos dentro del dispositivo en un momento dado, lo que puede depender de factores externos, como la temperatura y la intensidad de la luz.

Además, el caudal de fluido puede variar con la anchura y el grosor de los canales de fluido, así como con la orientación de montaje del dispositivo.

El mantenimiento de una velocidad baja constante también ayuda a evitar que los microorganismos se adhieran a las capas de membrana y/o a componentes adicionales que no estén destinados específicamente a apoyar la formación de biopelículas. El caudal de fluido puede cambiar dinámicamente en períodos de tiempo muy pequeños y/o grandes (segundos, minutos, horas, días).

En una realización típica, dichos uno o más conductos de fluidos están configurados para dirigir el flujo y facilitar el intercambio de medios líquidos entre la unidad y una fuente de medios líquidos.

Esto se logra adecuadamente mediante estructuras de control, que se colocan dentro de la unidad y forman barreras para el paso de medios líquidos a través de la unidad, formando así canales definidos. Las estructuras de control pueden estar fabricadas de cualquier material translúcido adecuado, o más típicamente transparente. Como alternativa o además, las estructuras de control pueden formarse uniendo regiones discretas de las dos capas exteriores. Esta unión se puede lograr mediante termoprensado o una interfaz de pegamento. Las estructuras de control/regiones unidas aumentan la integridad estructural del dispositivo, facilitan el flujo de medios líquidos, aumentan el control del grosor y la forma del dispositivo cuando la unidad se infla por la presión del líquido.

Como alternativa o además, las estructuras de control se pueden formar uniendo regiones internas discretas de las dos capas externas a los componentes estructurales. Esta unión se puede lograr mediante termoprensado o una interfaz de pegamento. Las estructuras de control/regiones unidas a componentes estructurales aumentan la integridad estructural del dispositivo, facilitan el flujo de medios líquidos, aumentan el control del volumen, el grosor y la forma del dispositivo cuando la unidad se infla por la presión del líquido.

La disposición de los conductos de fluidos crea espacios donde se optimiza el flujo de medios líquidos. Además, los conductos de fluidos pueden distribuir los medios líquidos de manera homogénea por toda la unidad, manteniendo un caudal de los medios líquidos similar. En una realización adecuada, dichos uno o más conductos de fluidos están configurados para permitir la eliminación de microorganismos/biomasa de la unidad y/o permitir que el medio líquido con los microorganismos fluya a través de un camino iluminado. La configuración optimizada de los conductos de fluidos también facilita el control de la temperatura dentro del dispositivo. Las disposiciones específicas de los canales se ejemplifican en detalle a continuación.

El dispositivo (o módulo que comprende múltiples unidades) está conectado a través de una o más entradas a un suministro de medios líquidos.

El dispositivo se puede conectar al suministro de medios líquidos mediante componentes de fijación adicionales o mecanismos adjuntos (por ejemplo, fijación rígida, fijación flexible, abrazadera, conexión a presión, conexión por conducto).

En una realización separada de la invención, el requisito mínimo es que el dispositivo comprenda un solo conducto de fluidos que tenga una sola abertura que actúe como entrada y como salida.

Un segundo aspecto de la invención se refiere a un módulo de fotobiorreactor. El módulo de fotobiorreactor comprende una pluralidad de dispositivos como los definidos anteriormente.

En una realización típica de este aspecto de la invención, cada unidad individual está conectada a uno o más dispositivos a través de la entrada/salida del canal de medios líquidos. Se pueden conectar varios dispositivos entre sí en la entrada/salida del canal de medios líquidos utilizando componentes de fijación adicionales o mecanismos adjuntos (por ejemplo, fijación rígida, fijación flexible, sujeción, ajuste a presión, conectado por conducto).

Se pueden conectar dispositivos únicos y/o múltiples al suministro de medios líquidos utilizando componentes de fijación adicionales o mecanismos adjuntos (por ejemplo, fijación rígida, fijación flexible, abrazadera, conexión a presión, conexión por conducto).

Convenientemente, el módulo se fabrica como una sola unidad modular. Se pueden conectar varios módulos de fotobiorreactores entre sí a la entrada/salida del canal de medios líquidos mediante componentes de fijación adicionales o mecanismos adjuntos (por ejemplo, fijación rígida, fijación flexible, abrazadera, ajuste a presión, conectado por conducto).

Las unidades modulares individuales y/o múltiples se pueden conectar al suministro de medios líquidos mediante componentes de fijación adicionales o mecanismos adjuntos (por ejemplo, fijación rígida, fijación flexible, sujeción, ajuste a presión, conexión por conducto).

Fuente de luz artificial

El dispositivo de la invención puede recibir luz de fuentes externas naturales o artificiales. Como alternativa, para aumentar la cantidad de luz disponible para los microorganismos fotosintéticos contenidos dentro del bolsillo, se puede colocar una fuente de luz artificial dentro del dispositivo.

Por lo general, la fuente de luz artificial se selecciona de un diodo emisor de luz (LED) o un diodo emisor de luz orgánico (OLED), o una fibra óptica o una óptica integrada dentro del dispositivo y conectada a una fuente de luz natural o artificial externa.

Adecuadamente, la fuente de luz artificial está diseñada y/o controlada para emitir longitudes de onda específicas de radiaciones electromagnéticas (luz) siguiendo las necesidades de radiaciones fotosintéticamente activas (“photosynthetically active radiations”, PAR) de los microorganismos fotosintéticos contenidos dentro del dispositivo.

En una realización adecuada que se ilustra en la figura 33, la fuente de luz artificial está parcial o totalmente incluida dentro de una o más estructuras de control/componentes estructurales translúcidos o transparentes ubicados entre la primera y la segunda capas.

Además, se puede introducir un cable óptico y/o de fibra óptica, conectado a una fuente de luz externa, parcial o totalmente dentro de una o más estructuras de control/componentes estructurales translúcidos o transparentes ubicados entre la primera y la segunda capa.

Forma y dimensiones

Las siguientes características pueden aplicarse a dispositivos que comprenden una sola unidad según realizaciones de la invención o a módulos que comprenden múltiples unidades, según otras realizaciones.

Cuando la unidad se infla con la presión de un medio líquido, la forma puede ser similar a la de un tubo aplastado, y debido a esto, el grosor y/o el volumen óptimos pueden variar.

Convenientemente, el grosor total, cuando se infla por la presión del medio líquido, del dispositivo, unidad o módulo de la invención es lo más delgado posible, para permitir que la luz viaje a través del dispositivo, maximizando la capacidad fotosintética y la eficacia de la generación de biomasa. del dispositivo Normalmente, el grosor no es inferior a 2 mm, adecuadamente 5 mm, normalmente 10 mm. El grosor normalmente no es superior a 100 mm, adecuadamente 60 mm, normalmente 35 mm.

La forma de la unidad se puede controlar para que sea plana o casi plana (con una sección transversal rectangular en lugar de una sección transversal tubular) mediante el uso de estructuras de contención externas, tales como mallas o materiales sólidos delgados y/o estirando la unidad desde las regiones unidas opuestas y/o regiones plegadas y/o bordes de la unidad.

La profundidad y la anchura del dispositivo o fotobiorreactor modular también son importantes para controlar la temperatura dentro del dispositivo, porque afectan la cantidad de medio líquido que puede contener el dispositivo. Un dispositivo que tenga una mayor profundidad y anchura podrá alojar un mayor número de conductos de fluidos y un mayor volumen de medios líquidos.

La longitud y la anchura de los conductos de fluidos varían con respecto a cada aplicación y forma de la unidad, por lo que pueden tener cualquier longitud y anchura razonable. A modo de ejemplo, la longitud de un conducto de fluidos dentro de una unidad lineal no es inferior a 5 cm ni superior a 10 metros. Adecuadamente, la anchura de un conducto de fluidos dentro de una unidad no es inferior a 1 cm, típicamente 3 cm, y no superior a 20 cm, adecuadamente 10 cm.

La forma bidimensional o tridimensional del dispositivo o módulo no está restringida; puede tener cualquier forma conveniente, tal como una forma rectangular o cualquier forma que tenga una anchura constante, o cualquier forma que se estreche en la parte superior e inferior alrededor de las porciones de entrada y salida, o una forma de hoja, una forma circular, una forma elíptica, en forma de cruz, cuadrada, ahusada o en forma de estrella. Los ejemplos de formas adecuadas se analizan con más detalle a continuación.

Un tercer aspecto de la invención se refiere a un método de uso de un dispositivo o módulo de fotobiorreactor como se define en el presente documento para generar biomasa.

Además, el dispositivo también se puede usar para generar oxígeno y/o para eliminar gases contaminantes ambientales, tales como el dióxido de carbono, de la atmósfera.

Mecanismos de función

Debido a las capas de membrana de la unidad, el intercambio de gases se produce a través de las membranas entre el medio líquido contenido dentro de la unidad y la atmósfera fuera de la unidad. Tal como se muestra en la figura 34, cualquier especie de gas permeable puede intercambiarse a través de la membrana en cualquier dirección, es decir, los gases pueden pasar del medio líquido a la atmósfera exterior (5) o de la atmósfera exterior al medio líquido (6). La tasa de permeabilidad de gases cambiará con respecto a la diferencia de presión parcial del gas permeable entre el interior y el exterior de la unidad. En una realización adecuada de esta invención, los microorganismos en el medio líquido dentro del dispositivo consumen dióxido de carbono, lo que disminuye la concentración de dióxido de carbono en el medio líquido. El nuevo dióxido de carbono permea a través de la membrana desde el aire exterior hacia dentro del dispositivo debido a la diferencia de presión resultante entre el interior y el exterior del dispositivo. Además, en una realización típica, el oxígeno producido por los microorganismos permea la membrana desde el medio líquido dentro del dispositivo hacia el exterior del dispositivo.

Esta transferencia de gases impulsada por la membrana permite ventajosamente una disminución significativa de los costes relacionados con la aireación que, en lugar de realizarse a través de sistemas de suministro de gas más complicados y caros, se realiza mediante una permeación de gases impulsada por una membrana pasiva sin aporte de energía adicional. Se sabe que el dióxido de carbono es un componente fundamental de la fotosíntesis y, si hay altos niveles de luz y se entrega eficazmente el dióxido de carbono a los microorganismos dentro del medio líquido, manteniendo su necesidad de gas, la tasa de generación de biomasa puede aumentar drásticamente. Por otro lado, el oxígeno producido por los microorganismos suele disolverse en el medio líquido, aumentando la concentración de oxígeno en el dispositivo. Se sabe que altos niveles de oxígeno disuelto en el medio líquido ralentiza el proceso fotosintético, por lo tanto, ralentizan la tasa de generación de biomasa.

El agotamiento eficiente del oxígeno del medio líquido dentro de los fotobiorreactores convencionales puede ser difícil y costoso de lograr, principalmente porque el oxígeno disuelto debe ser conducido desde el medio líquido al exterior del fotobiorreactor a través de salidas de aire, principalmente utilizando burbujeo en los medios líquidos.

En la mayoría de los fotobiorreactores convencionales, el medio líquido fluye dentro de conductos no membranosos durante un tiempo prolongado antes de llegar a un orificio de ventilación, área de burbujeo, entrada de aireación y/o tanque de agua. Por lo tanto, los medios líquidos pueden tener niveles muy altos de oxígeno disuelto y niveles muy bajos de dióxido de carbono, lo que provoca una disminución muy importante de la tasa de generación de biomasa. Usando un fotobiorreactor permeable a los gases, los intercambios de gases entre el medio líquido dentro del dispositivo y el exterior del dispositivo pueden producirse continuamente durante el flujo.

Las ventajas de realizar esta transferencia de gases impulsada por membrana en tecnologías de fotobiorreactores son una mayor adaptabilidad, costes reducidos y un aumento de la calidad del cultivo microbiano en los medios líquidos mediante la eliminación eficiente de oxígeno.

Sistema auxiliar

El dispositivo puede estar conectado a un sistema auxiliar. Dependiendo de la aplicación del dispositivo, el sistema auxiliar puede tener cualquier grado de complejidad y estar compuesto por cualquier tipo de componentes auxiliares.

En una realización adecuada de esta invención, el dispositivo está conectado a un sistema auxiliar compuesto principalmente por conductos, tanques de agua, bombas, válvulas, separadores de biomasa, sistemas de iluminación artificial (especialmente si no hay luz natural presente), sistemas de control de temperatura del agua, sensores y ordenadores.

Los conductos y depósitos (tanques de agua) pueden ser de cualquier tipo y de cualquier material adecuado.

Las bombas también pueden ser de cualquier tipo, normalmente las bombas son bombas peristálticas que pueden reducir el riesgo de contaminación del medio líquido y la rotura de las células de los microorganismos utilizados debido al uso de un tubo peristáltico que es el único componente en contacto con los medios líquidos.

Los separadores de biomasa pueden ser de cualquier tipo conocido por los expertos en la materia; convenientemente, el separador de biomasa es un bioseparador de tipo centrífuga, un sistema de filtración que comprende mallas de abertura pequeña y/o un dispositivo de sedimentación y/o un proceso de clarificación.

El control de la temperatura del agua puede ser de cualquier tipo conocido por los expertos en la materia; normalmente comprende un componente de calentamiento que se instala adecuadamente alrededor de partes de los conductos y/o en el tanque de agua. Los componentes de calentamiento pueden ser de cualquier tipo, y pueden comprender adecuadamente mecanismos de intercambio de calor.

El sistema de iluminación artificial puede utilizar cualquier tipo de fuente de luz artificial conocida por los expertos en la materia, adecuadamente el sistema de iluminación comprende LED, típicamente la fuente de luz artificial está diseñada y/o controlada para emitir longitudes de onda específicas de radiación electromagnética (luz) correspondientes a las necesidades de radiación fotosintéticamente activa (PAR) de cualquier microorganismo fotosintético contenido dentro del dispositivo.

Los sensores y ordenadores adecuados se describen a continuación.

La figura 35 muestra un sistema adecuado de una realización de la invención (90) que comprende múltiples unidades de fotobiorreactores (105). El medio líquido que comprende un microorganismo fotosintético en un depósito (91) es transportado por una bomba (92) a una unidad de fotobiorreactor rectangular (105) a través de la entrada (1). El medio líquido pasa por un camino tortuoso a través de la unidad (105) donde la luz de una fuente de luz artificial (93) o una fuente de luz natural llega a los microorganismos en el medio líquido estimulando la fotosíntesis, mientras que se produce la transferencia de gases entre el medio líquido en la unidad (105) y el aire exterior a través de las capas de membrana de la unidad sustancialmente como se muestra, por ejemplo, en la figura 34. El líquido sale de la unidad a través de la salida (2) y llega a una válvula de 3 vías (94) que dirige el medio líquido de vuelta al depósito (91), cerrando el circuito. Los sensores (95) en el depósito (91) miden los valores de los parámetros de cultivo de microorganismos y envían resultados a los ordenadores que luego controlan las operaciones de los componentes del sistema auxiliares, tales como bombas, válvulas, sistemas de luz artificial, sistemas de control de temperatura, separadores de biomasa.

Cuando la concentración de biomasa en el medio líquido alcanza el nivel deseado, la válvula de 3 vías (94) dirige el flujo hacia el separador de biomasa (96) que separa la biomasa del medio líquido, la biomasa aislada pasa a un recipiente (97) para un procesamiento adicional, mientras que el medio líquido se dirige de nuevo al depósito (91). Esta acción de dirigir el flujo hacia el separador de biomasa se puede realizar periódicamente y durante un período de tiempo predeterminado antes de que la válvula (94) cambie la ruta del flujo hacia el depósito (91) nuevamente. Este tiempo se puede optimizar con respecto a cada aplicación, el microorganismo utilizado, el entorno circundante y la ubicación del dispositivo.

Los nutrientes pueden insertarse periódicamente (98) en el sistema directamente al depósito (91). De manera similar, se puede introducir agua y/o microorganismos en medios líquidos o fluidos de limpieza.

Se pueden utilizar todo tipo de otros componentes del sistema, por ejemplo, se puede colocar en el sistema una válvula de presión controlable o un regulador de presión (99); en este ejemplo, la válvula de presión puede controlar el cambio volumétrico de la unidad a través de los efectos de los cambios en la presión de líquido. Algunas válvulas (102) pueden controlar el caudal en las unidades.

Opcionalmente se puede introducir aire suplementario y/o aire enriquecido con dióxido de carbono y/u otros gases (101) en el conducto principal si se requiere. Se pueden instalar salidas de aire en los conductos para eliminar el aire que pueda ingresar accidentalmente al sistema hidráulico, por ejemplo, durante la instalación del sistema, y generalmente se ubican en la ubicación más alta del sistema para facilitar la expulsión del aire no deseado.

Se puede accionar un procedimiento de limpieza para limpiar y/o esterilizar la unidad y/o los conductos y/o el tanque de agua y/o todo el sistema auxiliar. Un "líquido de limpieza" puede estar hecho de cualquier compuesto que conozcan los expertos en la materia. Puede comprender etanol, agua, agua salada, detergentes, lejía, tensioactivos, álcalis o cualquier otra composición de limpieza adecuada. El líquido de limpieza puede ingresar al sistema a través de conductos específicos en cualquier punto del sistema y puede salir en cualquier punto del sistema para permitir la limpieza únicamente en lugares específicos, si se desea, en lugar de limpiar todo el sistema.

Soluciones de sujeción e instalación

El dispositivo o dispositivos de esta invención se pueden instalar en todas las orientaciones y posiciones según su aplicación prevista y/o las características ambientales de su ubicación de instalación. Las unidades del dispositivo pueden tener bordes reforzados, ubicados adyacentes a los sellos y bolsillos definidos en el mismo, convenientemente ubicados en las áreas de unión externas. Los paneles reforzados son adecuados para la fijación a una estructura de montaje externa. En una realización preferida, los bordes de la unidad están reforzados con múltiples puntos de fijación que permiten la unión a una estructura de montaje externa, tal como un marco o un soporte. Los bordes reforzados también pueden servir para fortalecer la estructura de la unidad y controlar potencialmente su grosor y/o volumen cuando se infla por los medios líquidos en su interior.

Si se instala en una posición vertical, sustancialmente vertical y/o sustancialmente oblicua, el dispositivo o dispositivos pueden suspenderse de la estructura de montaje a través del conducto de entrada o salida, los bordes reforzados de la unidad o mediante una estructura de suspensión reforzada. El dispositivo o dispositivos pueden descansar sobre un lecho que puede proporcionar una interfaz de montaje entre el suelo y el dispositivo; esto es muy adecuado para el posicionamiento horizontal, sustancialmente horizontal y/o sustancialmente oblicuo (como en el techo inclinado de un edificio). El lecho de soporte puede estar compuesto por un espejo u otro material que refleje la luz para mejorar la captación de luz que pasa a través de las unidades del dispositivo.

En realizaciones en las que la unidad o unidades están fabricadas de una sola capa de membrana plegada (figura 32a, 32b) el borde plegado (86) puede actuar como un punto de fijación a una estructura de montaje, y el borde plegado puede sujetarse o reforzarse.

Capa de componente adicional

En otra realización de esta invención, como se muestra en las figuras 5 a 9, el componente adicional (15, 16), puede colocarse dentro de la unidad, en contacto con una o más de las capas de membrana externa, o puede tener la forma de una tercera capa (87) que se puede fijar uniéndola a través de una interfaz de pegamento (82) a las dos capas de membrana exterior como se muestra en las figuras 33a y 33b. Opcionalmente, los componentes estructurales (83) se pueden unir entre la capa de componente adicional y las capas de membrana externa, como se muestra en la figura 33b. La capa de componente adicional (87) puede dividir un solo conducto de fluidos en dos, en una orientación diferente a la creada por las estructuras de control (27, 37, 47), descritas anteriormente.

Versión extruida

En una realización, la unidad puede estar fabricada de una sola lámina de membrana permeable a los gases que se extruye en forma de tubo (figura 38). Esta realización elimina la necesidad de unir los extremos porque ya está cerrada por dos lados, definiendo así el bolsillo. La unión entre los dos lados de la misma capa extruida se puede utilizar para crear estructuras de control como se describió anteriormente. Opcionalmente, los bordes (86) pueden actuar como un punto de fijación a una estructura de montaje, y el borde plegado puede estar sujetado o reforzado.

Opciones no membranosas

En otra realización de esta invención (figura 39), las capas exteriores de la unidad comprenden una capa de membrana (11) y una capa no membranosa (18). La capa no membranosa (18) puede estar fabricada de cualquier material, adecuadamente un material translúcido flexible o inflexible, opcionalmente un material transparente u ópticamente transparente, tal como un vidrio. La capa no membranosa (18) se introduce cuando la permeación de gas a través de la capa de membrana (11) es suficientemente alta para proporcionar la transferencia de gases ideal entre el medio líquido y la atmósfera fuera de la unidad (10). Esta realización puede incluir componentes y configuraciones adicionales como se describe en cualquiera de las otras realizaciones anteriores.

Aplicaciones

El dispositivo de esta invención se puede utilizar para muchas aplicaciones. Las aplicaciones pueden ser de cualquier tipo en las que se necesite la producción de biomasa, el secuestro de dióxido de carbono, la producción de oxígeno, el secuestro de óxidos de nitrógeno u otros gases, o en las que se necesite el tratamiento de aguas residuales, o incluso para aplicaciones estéticas. El dispositivo se puede utilizar en interiores y/o exteriores.

Las aplicaciones adecuadas para el dispositivo de esta invención pueden ser cualquier aplicación arquitectónica interior y/o exterior, incluidas, entre otras, ser parte de la fachada de un edificio, tejados, marquesinas, parasoles, ventanas y/o techos interiores, paredes interiores o pisos interiores. En estas aplicaciones, el oxígeno producido se puede utilizar dentro del edificio y/o el dióxido de carbono se puede absorber desde el interior y/o el exterior del edificio.

Las aplicaciones adecuadas para el dispositivo de esta invención pueden ser un uso junto con cualquier sistema de iluminación y/o instalaciones de iluminación, incluidos, entre otros, sistemas de iluminación interior, tales como instalaciones de iluminación en techos, suelos, paredes, escritorios, instalaciones de iluminación suspendidas, técnicas, decorativas, de exterior, de calles o publicitarias.

En tales aplicaciones, la fuente de luz artificial proporcionada por el sistema de iluminación puede proporcionar la mayor parte de la luz que necesitan los microorganismos para realizar la fotosíntesis, y el oxígeno producido puede usarse dentro del edificio y/o el dióxido de carbono puede absorberse desde el interior y/o desde el exterior del edificio.

Otras aplicaciones adecuadas para el dispositivo de esta invención pueden ser aplicaciones de producción intensiva de biomasa, que incluyen, entre otras, plantas de producción intensiva de biomasa al aire libre que usan principalmente fuentes de luz natural, plantas de producción intensiva de biomasa en interiores que usan fuentes de luz artificial y/o fuentes de luz natural, como en invernaderos.

Otras aplicaciones adecuadas para el dispositivo de esta invención pueden ser un uso junto con infraestructuras, incluidas, entre otras, infraestructuras urbanas, autopistas, puentes, infraestructuras industriales, torres de refrigeración, autopistas, infraestructuras subterráneas, barreras acústicas para el tráfico, silos, torres de agua o hangares.

Otras aplicaciones adecuadas para el dispositivo de esta invención pueden ser en combinación con plantas de tratamiento de residuos, incluidas, entre otras, plantas de tratamiento de aguas residuales, plantas de tratamiento de aguas residuales municipales, tratamientos de digestión anaeróbica de aguas residuales, tratamientos de digestión anaeróbica de estiércol, digestores anaeróbicos o incineradores.

El dispositivo de esta invención puede eliminar contaminantes y/o nutrientes (tales como nitratos y fosfatos) directamente de las corrientes de aguas residuales que pueden desviarse hacia el interior de las unidades. Esto es favorable en aplicaciones de tratamiento de aguas residuales y aplicaciones de construcción/industriales en las que se requiere un tratamiento parcial y/o previo del agua. El agua que contiene contaminantes que son tóxicos para los microorganismos dentro del dispositivo de la invención debe tratarse en tales realizaciones para eliminar estos contaminantes antes de introducirlos en el dispositivo.

El dispositivo de esta invención puede instalarsejunto a cualquiertipo de proceso industrial y/o proceso agrícola y/o proceso de ganadería y/o procesos de ganadería intensiva (piscicultura intensiva) y/o procesos de fabricación y/o procesos de refinería y/o procesos de producción de energía, en los que puede producirse el intercambio de cualquiertipo de compuestos y gases entre el dispositivo (con el sistema auxiliar) y este proceso.

Recolección continua

Una ventaja de algunas realizaciones de la invención es que la biomasa se puede generar continuamente dentro de la unidad y se puede recolectar de forma continua.

La biomasa se acumula en el medio líquido dentro de la unidad en regiones de biopelícula que se forman en la superficie de los componentes del dispositivo, incluido el componente de soporte biológico, el componente adicional o sobre las superficies internas de las dos capas externas, como se describe en detalle anteriormente.

La biomasa se puede recolectar directamente del medio líquido, y opcionalmente también con un tratamiento químico para facilitar el desprendimiento de la biomasa del interior del dispositivo. Para purgar el dispositivo y liberar la biomasa, el medio líquido ingresa al dispositivo a través de una o más entradas, pasa a través de uno o más canales y sale del dispositivo, junto con la biomasa que se transporta en el flujo, a través de una o más salidas. La salida se puede conectar a un receptáculo adecuado para recibir la biomasa recolectada.

En realizaciones en las que se cultiva intencionalmente una biopelícula dentro del dispositivo, la biopelícula actúa para proporcionar una superficie microbiana fotosintética activa fija, que evita que algunos de los microorganismos se eliminen cuando se enjuaga el dispositivo. Esto facilita la generación rápida de biomasa y permite la recolección continua de la biomasa generada en el dispositivo. Esto permite que el dispositivo regenere/reponga la biomasa rápidamente, porque los microorganismos que quedan dentro del dispositivo pueden generar biomasa de forma continua a través de la fotosíntesis (siempre que las condiciones de luz permitan la fotosíntesis). Además, no es necesario introducir microorganismos nuevos/adicionales en el bolsillo después de que se haya recolectado la biomasa para generar más biomasa.

Recolección discontinua

Como alternativa, la biomasa se puede recolectar de forma intermitente, de modo discontinuo. Por ejemplo, la biomasa se puede recolectar del dispositivo con frecuencia, cada hora, día o semana.

Sensores

Las realizaciones y/o el sistema auxiliar de la invención pueden incluir sensores incorporados que pueden usarse, por ejemplo, para controlar concentraciones químicas, tales como concentraciones de dióxido de carbono y/o concentraciones de oxígeno en líquidos y/o gases; y/o para controlar la temperatura y otros parámetros ambientales y biológicos, tales como los niveles de toxicidad y/o para controlar la concentración de biomasa en los medios líquidos.

Los sensores pueden estar incluidos total o parcialmente en el dispositivo, en el tanque de agua (18) del sistema auxiliar y/o en estructuras de control y/o estar adheridos al interior o exterior de capas externas o en la superficie de componentes adicionales internos.

Los sensores pueden permitir el control del entorno dentro del bolsillo de la unidad del dispositivo, para permitir el control de parámetros que incluyen, entre otros, el caudal de medios líquidos, la calidad de los medios líquidos, los niveles de nutrientes, la temperatura, la tasa de extracción de biomasa y la intensidad de iluminación. El propósito de este control es optimizar la eficiencia fotosintética de los microorganismos fotosintéticos contenidos dentro del dispositivo y, por lo tanto, optimizar la eficiencia de generación de biomasa.

El dispositivo de la invención se ejemplifica, pero no se limita a las siguientes disposiciones.

Dos capas de membrana

En la figura 1 se muestra un dispositivo según una realización específica de la invención. El dispositivo comprende una unidad (10) que tiene dos capas de membrana (11, 12), un espacio interior (13) definido por las capas de membrana, una entrada (1) y una salida (2). Las dos capas de membrana (11, 12) pueden tener composiciones iguales o diferentes. Puede haber crecimiento microbiano sobre el interior de una, ambas o ninguna de las membranas.

En una realización adecuada, un soporte biológico (15) está presente en el interior de una o ambas capas. El soporte biológico facilita el crecimiento microbiológico y la formación de una biopelícula. En la figura 3 se muestra una disposición en la que está presente un soporte biológico en el interior de ambas capas de membrana (11, 12), mientras que la figura 4 muestra una disposición con un soporte biológico presente en el interior de una capa de membrana.

Otra realización del dispositivo comprende una unidad (10) que comprende dos membranas (11, 12) y también puede comprender un componente adicional (14), como se define anteriormente, que puede estar ubicado en el bolsillo (13) formado por las dos capas. Tal disposición se muestra en la figura 2. Puede ser deseable que los microorganismos se adhieran al componente adicional en lugar de a las superficies internas de las capas de membrana (11, 12). El caudal de fluido puede ser lo suficientemente alto como para evitar el crecimiento microbiológico sobre las capas de membrana. Sin embargo, la superficie interior de las capas de membrana (11, 12), o una parte de la misma, puede ser hidrofóbica o puede recubrirse con un recubrimiento hidrofóbico, hidrofílico o antimicrobiano o puede tratarse mecánicamente o transformarse física o químicamente de otra manera para que tenga características hidrófobas o antimicrobianas.

El componente adicional (14) se puede recubrir opcionalmente en uno o ambos lados con un soporte biológico (15), como se ilustra en las figuras 5 y 6. En esta realización, los microorganismos se adhieren al soporte biológico, en lugar de a la superficie del componente adicional, por lo que no es necesario que el componente adicional sea poroso o tenga una superficie rugosa o porosa.

Las figuras 7, 8 y 9 ilustran un dispositivo que comprende una unidad (10) que tiene una primera y una segunda capas de membrana (11, 12) y un componente adicional (16) ubicado en el bolsillo formado por las dos capas. En esta realización, el componente adicional (16) está fabricado de un material poroso y puede unirse a una o ambas capas de membrana, o puede ubicarse dentro del bolsillo (13).

Una capa de membrana y una capa no membranosa

Un dispositivo que comprende una unidad (10) según algunas realizaciones de la invención puede tener una capa de membrana (11) y una capa no membranosa (18), como se describió anteriormente. Tal realización se ilustra en la figura 39. En esta realización, la capa no membranosa puede modificarse o tratarse para producir una superficie rugosa para estimular la unión de microorganismos y la formación de una biopelícula.

Si el dispositivo se ilumina principalmente desde una sola dirección, la capa de membrana se puede ubicar en el lado del dispositivo más cercano a la fuente de luz principal, y la capa no membranos se puede ubicar en el lado del dispositivo más alejado de la luz principal. fuente. Como alternativa, la capa no membranosa puede estar ubicada en el lado del dispositivo más cercano a la fuente de luz principal y la capa de membrana puede estar ubicada en el lado del dispositivo más alejado de la fuente de luz.

Como se describió anteriormente en relación con la disposición de dos membranas, un dispositivo que comprende una capa de membrana y una capa no membranosa también puede comprender un componente adicional, que puede estar recubierto, como se define anteriormente, que puede estar ubicado en el bolsillo (13) formado por las dos capas (11, 12).

Configuración de los conductos de fluidos

En la figura 10 se ilustra una versión ahusada simple de una realización de la invención, que tiene un conducto de fluidos con una entrada (1) y una salida (2) ubicadas en lados opuestos. En esta representación de vista frontal del dispositivo (20), el medio líquido entra a través de la entrada (1) en la parte superior, fluye a través del espacio dentro del bolsillo (23) y sale a través de la salida (2) en la parte inferior del dispositivo.

En la figura 11 se ilustra una versión ahusada simple de una realización de la invención, que tiene dos conductos de fluidos y una sola estructura de control. En esta representación de vista frontal del dispositivo se proporciona una unidad (20), y la parte central (27) representa una región en donde las dos capas exteriores están unidas entre sí y/o donde se ubica una estructura de control. El fluido entra a través de la entrada (1) en la parte superior y se divide en dos canales (23), a la izquierda y a la derecha de la estructura de control/región unida. Los medios líquidos de ambos canales (23) salen a través de la salida (2) en la parte inferior del dispositivo.

En la figura 12 se ilustra una versión ahusada de una realización de la invención, que tiene múltiples estructuras de control de flujo (27). En esta representación de vista frontal del dispositivo (20), la parte central tiene estructuras de control de flujo lineales y ahusadas. El fluido entra por la entrada (1) en la parte superior y se divide en cuatro canales (23). El fluido de todos los canales sale a través de la salida (2) en la parte inferior del dispositivo.

En la figura 13 se muestra una versión ahusada de una realización de la invención (20), que tiene múltiples estructuras de flujo circulares (28) en forma de hoyuelos. En esta representación de vista frontal, el bolsillo comprende una matriz de múltiples estructuras de control de flujo (28) . Estas estructuras pueden ser circulares o de cualquier otra forma conveniente. Las estructuras de control crean turbulencia, así como múltiples vías diferentes por las que pueden fluir los medios líquidos. Al igual que en los ejemplos anteriores, en esta disposición, la entrada (1) se encuentra en la parte superior de la representación y la salida (2) en la parte inferior.

La figura 14 muestra una disposición (20) que está diseñada para aumentar la superficie específica del dispositivo que se expone a la luz para aumentar la capacidad fotosintética y la eficacia de generación de biomasa del dispositivo. En este ejemplo, hay múltiples partes sobresalientes (29), cada una de las cuales comprende estructuras de control de flujo (27) como se describió anteriormente.

Una versión diferente del dispositivo que comprende una unidad (30) se muestra en la figura 15. En esta representación de un dispositivo, la entrada (1) y la salida (2) están ubicadas una al lado de la otra, en el mismo lado del dispositivo. Hay una estructura de control de flujo lineal, que forma un solo canal (33) dentro de la unidad y crea una ruta de flujo optimizada. El flujo se dirige hacia abajo a través del dispositivo desde la entrada (1) en la parte superior y luego regresa para salir del dispositivo a través de la salida (2), que también se encuentra en la parte superior del dispositivo.

La figura 16 también muestra una versión del dispositivo en la que la entrada y la salida están ubicadas una al lado de la otra, en el mismo lado del dispositivo. En esta representación de vista frontal del dispositivo, la parte central tiene estructuras de control de flujo tanto lineales como ahusadas (37), que crean dos canales (33). El flujo se dirige desde la entrada (1) en la parte superior, hacia abajo a través de los dos canales y luego regresa, para salir del dispositivo a través de la salida (2), que también se encuentra en la parte superior del dispositivo.

La figura 17 muestra una configuración típica del dispositivo que comprende una unidad (40) de la invención. El dispositivo es lineal (sustancialmente similar a una tubería paralela redondeada o una forma de tubo aplastado/elíptico). Esta forma es fabricación sencilla y es particularmente adecuada para disponerse con muchos otros dispositivos de manera modular. En esta representación, la anchura del dispositivo se reduce en la parte superior e inferior, alrededor de la entrada (1) y la salida (2). Sin embargo, este no tiene por qué ser el caso; la anchura puede ser constante a lo largo del dispositivo, o la anchura puede variar (aumentar o disminuir) a lo largo de la longitud. La longitud también se puede variar según la aplicación requerida del dispositivo. En esta representación, hay un conducto de fluidos con una entrada (1) y una salida (2) ubicadas en lados opuestos.

La figura 18 muestra un dispositivo que comprende una unidad (40) similar a la descrita anteriormente en la figura 18, pero la introducción de una estructura de control lineal (47) en la parte central del dispositivo crea canales bifurcados (43). El fluido entra por la entrada (1) en la parte superior y se desvía a lo largo de los dos canales (43). El fluido de ambos canales sale a través de la salida (2) en la parte inferior del dispositivo.

La figura 19 muestra un dispositivo que comprende una unidad (40) que es similar a la descrita anteriormente en la Figura 20, pero la introducción de múltiples estructuras de control de flujo (48) (que pueden ser circulares o de cualquier otra forma conveniente) crea múltiples vías diferentes por donde pueden fluir los medios. En la disposición que se muestra en este caso, la entrada se encuentra en la parte superior del dispositivo y la salida en la parte inferior.

La figura 20 muestra una versión del dispositivo que comprende una unidad (50) de cuatro ramas, con entradas (1) y salidas (2). Las entradas y salidas se pueden colocar en cualquiera de las cuatro posiciones que se muestran en esta representación. En el centro de las cuatro ramas, hay una estructura de control (57) para regular el flujo a través del dispositivo y su estructura. Esta disposición (50) se puede usar para unir múltiples módulos, unidades o dispositivos, o se puede usar sola o en una matriz con otros dispositivos de la misma forma.

En la figura 21 se muestra una disposición diferente que tiene múltiples porciones sobresalientes (49), similar a la disposición que se muestra en el dispositivo ahusado de la figura 14. La entrada está en la parte superior del dispositivo (1) y la salida (2) está en la parte inferior. Existen múltiples canales a través de los cuales fluyen medios líquidos dentro del dispositivo. Esta disposición está diseñada para aumentar la superficie específica del dispositivo que se expone a la luz para aumentar la capacidad fotosintética y la eficacia de generación de biomasa del dispositivo.

La figura 22 muestra un dispositivo lineal que comprende una unidad (60) con un solo canal creado por una estructura de control de flujo lineal (67). Tanto la entrada (1) como la salida (2) están ubicadas en el mismo lado del dispositivo (es decir, en la parte superior del dispositivo en esta ilustración). La estructura de control de flujo lineal en el centro del dispositivo forma un solo canal dentro del dispositivo. El flujo se dirige hacia abajo a través del dispositivo desde la entrada en la parte superior y luego regresa para salir del dispositivo a través de la salida, que también se encuentra en la parte superior del dispositivo.

La figura 23a muestra un dispositivo rectangular de forma cuadrada que comprende una unidad (70) con un solo canal (73) creado por estructuras de control (77). La entrada (1) está en la parte superior del dispositivo y la salida (2) está en la parte inferior. En esta disposición, el fluido puede fluir por la fuerza de la gravedad, y está optimizada para llenar áreas similares a paneles con poca necesidad de aportes de energía para el bombeo.

Similar a la figura 23a, la figura 23b muestra un dispositivo de forma cuadrada que comprende una unidad (70) con un solo canal creado por estructuras de control (77). Tanto la entrada como la salida están ubicadas en el mismo lado del dispositivo (es decir, en la parte superior del dispositivo en esta ilustración). Las estructuras de control de flujo lineal forman un solo canal (73) dentro del dispositivo. El flujo se dirige hacia abajo a través del dispositivo desde la entrada en la parte superior y luego regresa para salir del dispositivo a través de la salida, que también se encuentra en la parte superior del dispositivo.

Las figuras 24 a 26 muestran disposiciones de módulos de fotobiorreactores que comprenden múltiples dispositivos individuales, según el segundo aspecto de la invención. Estas matrices modulares se pueden usar para llenar espacios grandes. Mediante el uso de múltiples dispositivos idénticos de manera modular, se pueden minimizar los costes de mantenimiento del biorreactor. Está dentro del alcance de la invención que el módulo de fotobiorreactor comprenda múltiples dispositivos individuales idénticos entre sí o no idénticos.

La figura 24 muestra un módulo que comprende dispositivos ahusados. Estos podrían ser, por ejemplo, cualquiera de los dispositivos (20) mostrados en las figuras 10-16.

La figura 25 muestra un módulo que comprende dispositivos lineales. Estos podrían ser, por ejemplo, cualquiera de los dispositivos (40) que se muestran en las figuras 17-19.

La figura 26 es un ejemplo de un dispositivo de matriz modular que comprende múltiples unidades (70) que están diseñadas para llenar un área cuadrada. Los dispositivos según la invención se pueden configurar en diversas realizaciones para llenar una variedad de formas diferentes, según se requiera.

La figura 27a, b, c muestra la sección cortada a través de una representación de algunas realizaciones de la invención y se incluye para ayudar a comprender los otros dibujos proporcionados en este documento.

La figura 30 muestra una vista en sección transversal (sección D en la figura 27c) de un dispositivo (80) según una realización de la invención que tiene dos estructuras de control ubicadas entre la primera y la segunda capa. Estas estructuras, que pueden fabricarse con cualquier material translúcido (o normalmente transparente) adecuado, se colocan dentro del bolsillo para controlar el paso del medio líquido a través del dispositivo y proporcionar soporte estructural al dispositivo.

La figura 28a muestra una vista en corte (sección B de la figura 27a) de una unidad (80) según una realización de la invención que tiene una primera y una segunda capa de membrana (81, 84) unidas entre sí a través de una interfaz de pegamento (82).

La figura 28b muestra una vista en corte (sección B de la figura 27a) de una unidad (80) de acuerdo con una realización de la invención que tiene una primera y una segunda capa de membrana (81, 84) con un componente estructural (83) entre ellas, en la que las membranas se unen a través de una interfaz de pegamento (82).

La figura 29a muestra una vista en corte (sección D de la figura 27c) de una unidad (80) según una realización de la invención que tiene una primera y una segunda capa de membrana (81, 84) unidas entre sí a través de una interfaz de pegamento (82). La unión central (85) es una estructura de control que crea dos conductos de fluidos.

La figura 29b muestra una vista en corte (sección D de la figura 27c) de una unidad de acuerdo con una realización de la invención que tiene una primera y una segunda capa de membrana (81, 84) con un componente estructural (83) entre ellas, en la que las membranas se unen a través de una interfaz de pegamento (82). La unión central (85) es una estructura de control que crea dos conductos de fluidos.

La figura 30 muestra una vista en corte (sección D de la figura 27c) de un dispositivo (80) según una realización de la invención que representa una composición mixta de técnicas de unión para crear uniones (82) entre las capas de membrana.

La figura 31 muestra una vista en corte (sección D de la figura 27c) de un dispositivo (80) según una realización de la invención, en el que una fuente de luz artificial (87) se incluye dentro del biorreactor y específicamente dentro de una estructura de control (86) (indicado por el rayado de línea simple y discontinua) ubicado entre la primera y la segunda capa de membrana.

La figura 32a muestra una vista en corte (sección C de la figura 27b) de un dispositivo según una realización de la invención, en el que la unidad está compuesta por una sola capa de membrana en forma de tubo (81) extruida que está unida a sí misma (82) en un extremo a través de una interfaz de pegamento.

La Figura 32b muestra una vista en corte (sección C de la figura 27b) de un dispositivo (80) según la figura 32a, que tiene un componente estructural (83) en el medio, en el que la membrana (81) está unida a sí misma (82) a través de un interfaz de pegamento

La figura 33a muestra una vista en corte de una unidad (80) según una realización de la invención que tiene una primera y una segunda capas de membrana (81, 84), en la que un componente adicional (89) está ubicado dentro de la unidad formada por las dos membranas. capas.

La figura 33b muestra una vista en corte de una unidad (80) según la figura 33a, que tiene un componente estructural (83) en el medio, en la que las membranas (81, 84) se unen a través de una interfaz de pegamento (82).

La figura 34 muestra una vista en corte de una unidad de acuerdo con una realización de la invención que tiene una primera y una segunda capa de membrana (3, 4), y que representa las direcciones opcionales de la permeación de gases a través de las capas de membrana, ya sea hacia afuera (5) o hacia adentro (6).

Generación y recolección de biomasa

La figura 36 es una ilustración de un ciclo de proceso adecuado (150) de generación y recolección de biomasa (ya sea de forma continua o discontinua) utilizando el dispositivo de la invención. (A) muestra el estado inicial, cuando el dispositivo está instalado y está vacío. (B) muestra la fase de iniciación, cuando el dispositivo se llena con medios líquidos que contienen microorganismos fotosintéticos. En esta etapa, la biomasa se genera dentro del dispositivo hasta alcanzar los niveles de densidad de biomasa deseados en el medio líquido, representado por la etapa (C). En una realización más preferida de esta invención, este ciclo del sistema es un ciclo continuo del sistema, y después de la etapa (C), el medio líquido circula continuamente en las unidades del sistema. La biomasa en el sistema se recolecta periódicamente y/o continuamente, representado por la etapa (D), y se dirige a un receptáculo de biomasa o se puede introducir en un "nuevo ciclo del sistema" y/o en nuevas unidades, como se representa por la flecha que conecta el ciclo del sistema a (B). Los expertos en la materia encontrarán el momento óptimo para la extracción de biomasa que depende principalmente de la tasa metabólica y/o de crecimiento de los microorganismos. La biomasa que se ha perdido del sistema en la etapa (D) puede ser regenerada por la actividad fotosintética de los microorganismos que permanecen en el sistema. Este ciclo de sistema continuo se puede realizar opcionalmente en forma de ciclo de sistema discontinuo, en el que los medios líquidos no circulan continuamente en el sistema, sino que se mantienen estáticos durante un cierto período de tiempo (la fase de crecimiento), antes de que la biomasa se recolecte en su mayor parte del sistema y, por último, la fase de crecimiento es reiniciada por los microorganismos que permanecen en el sistema.

La figura 37 es una ilustración de un posible ciclo "impulsado por biopelículas" de generación y recolección de biomasa (ya sea de forma continua o discontinua) usando algunas realizaciones de la invención. (A) muestra el estado inicial, cuando el dispositivo está instalado y está vacío. (B) muestra la fase de iniciación, cuando el dispositivo se llena con medios líquidos y microorganismos fotosintéticos. (C) es la etapa de crecimiento de la biopelícula. La biopelícula comienza a desarrollarse dentro del dispositivo. La etapa (D) representa la generación de biomasa. La biopelícula que se ha formado realiza activamente la fotosíntesis y, por lo tanto, genera más biomasa en el medio líquido contenido en el dispositivo. En la etapa (E), la biomasa se ha acumulado dentro de la unidad del dispositivo y está lista para ser recolectada. La etapa (F) muestra la biomasa que se recolecta del dispositivo. En esta etapa, la biomasa recolectada se puede dirigir a un receptáculo de biomasa para su recolección o se puede introducir en un nuevo ciclo del sistema, como lo representa la flecha que conecta (F) con (B). Puede existir otro ciclo entre (F), (D) y (E), mediante el cual la biomasa que se ha perdido del sistema en la etapa (F) puede regenerarse mediante la actividad fotosintética de los microorganismos que permanecen en el dispositivo. Por lo tanto, (D), (E) y (F) pueden representar un sistema discreto dentro del sistema general que se muestra en la figura 37. Las etapas (D), (E) y (F) pueden producirse simultáneamente, de modo que se logra la recolección continua y la regeneración de la biomasa usando tales realizaciones de la invención.

La invención se ejemplifica adicionalmente con referencia al siguiente ejemplo no limitante.

Ejemplo

Se construyó un aparato experimental para demostrar un sistema según una realización de la presente invención. En particular, el aparato demuestra que la transferencia de gases de oxígeno y dióxido de carbono se produce a través de las capas de membrana de la unidad de fotobiorreactor llena de medios líquidos y microorganismos fotosintéticos.

La configuración del estudio de caso se representa de manera simplificada en la figura 40.

La unidad (201) está compuesta por dos capas de membrana de polisiloxano, de 100 micrómetros de espesor, con un coeficiente de permeabilidad al oxígeno igual a aproximadamente 400 Barrers (a 23 °C - 2 °C), al dióxido de carbono igual a aproximadamente 2100 Barrers (a 23 °C - 2 °C) y al nitrógeno igual a aproximadamente 200 (a 23 °C - 2 °C).

El sistema está lleno de medios líquidos que contienen un cultivo de Synechocystis sp. El sistema es hermético, por lo que el intercambio de gases entre el medio líquido del sistema y el aire fuera del sistema puede producirse únicamente a través de las capas de membrana de polisiloxano de la unidad (201).

Se espera que los niveles de concentración de oxígeno disuelto en el medio líquido se estabilicen alrededor de la saturación de oxígeno en el agua a un nivel de 30 °C - 2 °C, que es de aproximadamente 7,5 mg/l - 0,3 mg/l.

Se espera que la introducción de dióxido de carbono del aire resulte en una caída del nivel de pH con el tiempo.

El depósito (202) fue diseñado para ser hermético y para alojar a los sensores (203). Los sensores (203) utilizados para este estudio de caso fueron un sensor de oxígeno óptico "InPro 6860 i" de Mettler Toledo, un sensor de pH "601500" de Extech Instruments, un sensor de turbidez de fibra dual de alta resolución "InPro 8200" de Mettler Toledo, dos sondas de inmersión de temperatura PT100/Clase A, 14132821 -TF45 de Wika. Dos tubos fluorescentes de 36 W (205) proporcionaron la fuente principal de iluminación. Se introdujo una válvula reguladora de presión (206) para regular el inflado de la unidad de presión entre la unidad (201) y el depósito (202).

La temperatura del medio líquido se mantuvo a aproximadamente 30 °C (+- 2 °C), y la temperatura del medio líquido se mantuvo mediante un baño de agua secundario calentado que rodeaba el depósito principal (202).

El medio líquido se bombeó por todo el sistema de forma intermitente mediante una bomba peristáltica (104) a 730 ml/min. La unidad (201) tenía 19 cm de longitud, 9 cm de anchura, aproximadamente 1,5 cm de grosor cuando estaba completamente inflada con medios líquidos.

Los datos relacionados con el nivel de concentración de oxígeno disuelto en los medios líquidos se registraron en dos ejecuciones de prueba (ejecución A y B). Como se muestra en los gráficos ilustrados en la figura 41a y 41b respectivamente, el nivel de concentración de oxígeno disminuye claramente durante el período de los experimentos. Esto indica que se está produciendo la transmisión de oxígeno a través de la membrana.

La tasa de cambio de pH medida en el medio fue atenuada parcialmente por la presencia de compuestos disueltos (originariamente contenidos en el medio de algas) que actuaron como tampones de pH. Los ejemplos de compuestos tampón típicos son las sales de fosfato disueltas en el medio para el suministro de nutrientes metabólicos esenciales para el cultivo. Aunque se observó una pequeña disminución en el pH durante las ejecuciones experimentales, la magnitud del cambio de pH que normalmente es inducido por la disolución de dióxido de carbono en el agua fue neutralizado por la acción del tampón. Después de un período de tiempo significativo, más allá de los períodos de tiempo de la ejecución A y B, la disolución continua de dióxido de carbono hizo que el pH cambiara visiblemente (datos no mostrados).

Los resultados de las ejecuciones experimentales se presentan a continuación:

EJECUCION A

Tipo COMIENZO FIN

O28,69 7,69 mg/l (11,50 % de disminución)

pH 10,37 10,16 (2,02 % de disminución)

Tiempo 0 30 min

Temperatura media 28,4 °C - 2 °C

EJECUCION B

Tipo COMIENZO FIN

O28,63 7,31 mg/l (15,29 % de disminución)

pH 10,32 10,06 (2,51% de disminución)

Tiempo 0 45 min

Temperatura media 29,5 °C - 2 °C

Aunque en este documento se han descrito en detalle realizaciones particulares de la invención, esto se ha hecho a modo de ejemplo y únicamente con fines ilustrativos. Las realizaciones antes mencionadas no pretenden ser limitantes con respecto al alcance de las reivindicaciones adjuntas, que aparecen a continuación.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo de fotobiorreactor para cultivar un organismo fotosintético y facilitar la transferencia de gases entre un fluido interno y la atmósfera externa, que comprende:

(i) una o más unidades de fotobiorreactor que comprenden una capa de membrana que define la unidad de fotobiorreactor capaz de contener un fluido,

en el que la capa de membrana es translúcida o transparente, y

en el que al menos una parte de la capa de membrana es permeable a los gases, en el que el coeficiente de permeabilidad del dióxido de carbono a través de la capa de membrana es de al menos 1000 Barrer; y

(ii) un puerto de entrada y uno de salida para permitir la circulación del fluido a través de dicha unidad.

2. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que:

i) la unidad de fotobiorreactor está definida por una sola lámina de la capa de membrana, en el que al menos una porción de la capa de membrana está unida a sí misma;

ii) la unidad de fotobiorreactor está definida por una sola lámina de la capa de membrana dispuesta en forma de tubo; o

iii) la unidad de fotobiorreactor está definida por una primera capa de membrana y una segunda capa no membranosa, dispuestas las dos capas de tal manera que al menos una porción de la primera capa de membrana está unida directamente a al menos una porción de la segunda capa no membranosa para formar un límite definido alrededor de las porciones no unidas de la primera y segunda capas.

3. El dispositivo de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que sutancialmente toda la capa de membrana es permeable a los gases.

4. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que al menos una parte de la capa de membrana es permeable al oxígeno y el coeficiente de permeabilidad del oxígeno a través de la primera capa de membrana y/o la segunda capa no membranosa no es inferior a aproximadamente 100 Barrer, típicamente no inferior a aproximadamente 300 Barrer y adecuadamente no inferior a aproximadamente 400 Barrer.

5. El dispositivo de la reivindicación 4, en el que el coeficiente de permeabilidad del oxígeno a través de la primera y/o segunda capa de membrana es convenientemente no inferior a aproximadamente al menos 500, al menos 650, al menos 750, adecuadamente al menos 820 Barrers.

6. El dispositivo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que al menos una parte de la capa de membrana es permeable al dióxido de carbono y el coeficiente de permeabilidad de la membrana al dióxido de carbono se selecciona de: no menos de al menos 2000, al menos 2200, al menos 2500, al menos 2800, al menos 2900, al menos 3000, al menos 3100, al menos 3200, al menos 3300, al menos 3400, al menos 3500, al menos 3600, al menos 3700, al menos 3800, convenientemente al menos 3820 Barrers.

7. El dispositivo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la capa de membrana comprende un material seleccionado de uno de: siliconas, polisiloxanos, polidimetilsiloxanos (PDMS), fluorosiliconas y organosiliconas, preferiblemente en el que el material comprende polidimetilsiloxanos (PDMS) o elastómeros de los mismos.

8. El dispositivo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que al menos un microorganismo fotosintético está incluido dentro de la unidad.

9. El dispositivo de la reivindicación 8, en el que el microorganismo fotosintético se selecciona de: Dunaliella salina, Haematococcus sp., Haematococcus pluvialis, Chlorella sp., Chlorella autotraphica, Chlorella vulgaris, Scenedesmus sp., Synechococcus sp., Synechococcus elongatus, Synechococcus marinus, Synechocystis sp., Arthrospira sp., Arthrospira platensis, Arthrospira maxima, Spirulina sp., Chlamydomonas sp., Chlamydomonas reinhardtii, Geitlerinema sp., Lyngbya sp., Chroococcidiopsis sp., Calothrix sp., Cyanothece sp., Oscillatoria sp., Gloeothece sp., Microcoleus sp., Microcystis sp., Nostoc sp., y Anabaena sp, preferiblemente en el que el microorganismo fotosintético se selecciona de Dunaliella salina y Synechococcus marinus.

10. El dispositivo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la unidad de fotobiorreactor comprende además al menos una estructura de control de flujo; y/o al menos un soporte biológico.

11. El dispositivo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que comprende además un sistema auxiliar en comunicación fluida con la unidad de fotobiorreactor, preferiblemente en el que el sistema auxiliar comprende al menos uno del grupo que consiste en: conductos; depósitos; bombas; válvulas; separadores de biomasa; sistemas de iluminación; sistemas de control de temperatura; sensores; y ordenadores/controladores de CPU.

12. El dispositivo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, que comprende además:

un depósito de fluido que está en comunicación fluida con el puerto de entrada y salida de al menos una unidad de fotobiorreactor;

una bomba para mantener la circulación de fluidos en todo el sistema, y

opcionalmente un colector de biomasa.

13. Un proceso para fabricar biomasa que comprende cultivar un microorganismo fotosintético dentro de un dispositivo como se establece en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, y recolectar la biomasa del dispositivo.

14. Un proceso para tratar aguas residuales que comprende cultivar un microorganismo fotosintético dentro de un dispositivo como se establece en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, haciendo pasar aguas residuales a través del dispositivo, de manera que el microorganismo fotosintético dentro del dispositivo elimine o remedie las toxinas de las aguas residuales.

15. Un proceso para eliminar un contaminante atmosférico que comprende cultivar un microorganismo fotosintético dentro de un dispositivo como se establece en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, exponiendo el dispositivo a una atmósfera que contiene el contaminante, de manera que el microorganismo fotosintético dentro de un dispositivo elimine o remedie el contaminante de la atmósfera.