MX2008002633A - Metodo, aparato y sistema para produccion de biodiesel a partir de algas. - Google Patents

Abstract

La presente descripción concierne a métodos, aparatos, composiciones y sistemas que se relacionan con biorreactores cerrados para cultivo y cosecha de algas. En ciertas modalidades, el sistema puede comprender bolsas con diversas capas, incluyendo una capa de barrera térmica, que pueden usarse para contener el cultivo de algas y/o para regular térmicamente la temperatura del cultivo de algas. El sistema puede comprender diversos mecanismos para mover el fluido dentro del sistema, tal como un mecanismo tipo rodillo, y puede proporcionar regulación de temperatura por compartimentación del fluido para regular la absorción de radiación solar y/o la pérdida y ganancia de calor conductivo o de emisión. Pueden usarse diversos mecanismos para cosechar y procesar las algas y/o para convertir aceite de algas en biodiesel y otros productos.

Description

MÉTODO , APARATO Y SISTEMA PARA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE ALGAS CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona a métodos, composiciones, aparatos y un sistema para cultivar y recolectar algas y/u otros organismos acuáticos. Ciertas modalidades tienen que ver con métodos, composiciones, aparatos y un sistema para la producción de productos útiles a partir de algas, tales como biocombustibles (por ejemplo, biodiesel, metanol, etanol) , bio-polímeros , precursores químicos y/o comida para animales o para seres humanos. Otras modalidades tienen que ver con el uso de tal sistema para remover dióxido de carbono a partir de fuentes tales como emisiones en plantas generadoras de energía.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En 1996 the National Renewable Energy Laboratory (NREL) en Golden, Colorado fue obligado a abandonar su Programa de Especies Acuáticas de 25 millones de dólares, durante 10 años que se enfoca en extraer biodiesel a partir de especies inusualmente productivas de algas. Arites de perder su financiamiento, científicos del gobierno han demostrado tasas de producción de petróleo 200 veces mayores por acre que lo que se puede lograr con la producción de combustible a partir del cultivo de soya. Sin embargo, tres problemas fundamentales limitan el potencial de comercialización del cultivo de algas. Los tres problemas fueron: [1) Los precios del petróleo estuvieron bajos en 1996 y es difícil la recuperación. [2] Las algas ricas en aceites fueron difíciles de proteger a partir del consumo o desplazamiento al invadir organismos cuando se cultivan en estanques abiertos al ambiente. [3] Las algas producen mejores aceites dentro de una banda de temperatura estrecha, incluso la radiación nocturna y días de temperaturas bajas y temperaturas altas y la radiación solar IR excesiva interfiere con los experimentos de estanque NREL al variar ampliamente la temperatura de cultivo. Existe una necesidad en el campo para tecnologías y métodos para tratar estos problemas y proporciona una producción de biodiesel con base en cultivos de algas, a precios competitivos en un sistema biológicamente cerrado, con mejor control de temperatura que el modelo de estanque abierto.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN En ciertas modalidades, los métodos, composiciones, aparatos y sistemas descritos y reclamados en la presente determinan la producción de biodiesel a partir del cultivo de algas que se cotiza en o debajo de los costos del gasóleo a partir de la producción basada en petróleo. El cultivo cerrado y el sistema de recolección reducen en gran medida problemas al contaminar algas, microorganismos que consumen algas y/u otras especies extrañas. En modalidades más preferidas, el aparato se diseña para instalarse y operarse en un ambiente externo, en donde se expone a luz ambiental, temperatura y clima. El aparato, sistema y métodos proporcionan regulación térmica mejorada diseñada para mantener la temperatura dentro del margen compatible con el crecimiento óptimo y la producción de petróleo. Otra ventaja de sistema es que puede construirse y operarse en la tierra que es marginal o inútil para la producción de cultivos agrícolas estándares, tales como maíz, trigo, soyas, cañóla o arroz. La tecnología de biorreactor descrita estabiliza la temperatura del cultivo de algas con bajo uso de energía, aplicable a cualquier escala. Al resolver estos problemas de temperatura y especies invasoras a un costo razonable y al agregar otras tecnologías, se ha desarrollado un sistema que es útil para crear una pluralidad de productos de alto valor a partir de algas que se alimenta en gran medida por desechos industriales, agrícolas y municipales. En algunas modalidades, el cultivo de algas puede utilizarse directamente para proporcionar una fuente alimenticia para animales o para seres humanos, por ejemplo, al cultivar algas comestibles tales como Espirulina. En otras modalidades, el cultivo de algas puede utilizarse para mantener el crecimiento de una fuente alimenticia secundaria, tal como camarón u otra especie acuática que se alimenta de algas. Métodos para la cría de camarones y acuicultura de otra especie comestible se conocen en la técnica y pueden utilizar especies bien caracterizadas tales como Penaeus japonicus, Penaeus duorarum, Penaeus aztecus, Penaeus setiferus, Penaeus occidentalis, Penaeus vannameí u otras especies peneidas. El técnico experimentado entenderá que esta descripción no es limitante y otras especies comestibles que se alimentan con algas pueden criarse y recolectarse. Una modalidad tiene que ver con métodos, un aparato y un sistema para producir biodiesel. Cepas altas en aceite de algas se cultivan en un sistema cerrado y se recolectan. Las algas se separan completa o parcialmente del medio, en el cual pueden filtrarse, esterilizarse y reutilizarse . El aceite se separa de las células del alga y se procesa en diesel utilizando tecnologías de transesterificación estándar tales como los procesos Connemann bien conocidos (véase por ejemplo, la Patente Norteamericana No. 5,354,878, el texto completo del cual se incorpora en la presente para referencia) . Sin embargo, se contempla que cualesquiera métodos conocidos para convertir productos de aceite de alga en biodiesel pueden utilizarse. En otra modalidad, el sistema, aparato y métodos son de uso para remover contaminación por dióxido de carbono, por ejemplo a partir de los gases de escape generados por plantas generadoras de energía, fábricas y/u otros generadores de fuentes fijas de dióxido de carbono. El C02 puede introducirse en el biorreactor de sistema cerrado, por ejemplo, burbujeando a través del medio acuoso. En una modalidad preferida, el C02 puede introducirse al burbujear el gas a través de una membrana de neopreno perforada, la cual produce pequeñas burbujas con una superficie alta en relación en volumen para intercambio máximo. En una modalidad más preferida, las burbujas de gas pueden introducirse en el fondo de una columna de agua en la cual el agua fluye en la dirección opuesta al movimiento de la burbuja. Esta disposición de contraflujo también maximiza el intercambio de gas incrementando el tiempo en que las burbujas se exponen al medio acuoso. Para incrementar además la disolución de C02, la altura de la columna de agua puede incrementarse para prolongar el tiempo en que las burbujas se exponen al medio. El C02 se disuelve en agua para generar H2C03, el cual puede entonces "fijarse" por algas fotosintéticas para producir compuestos orgánicos. Se estima que el sistema y aparato descritos en la presente, instalados sobre un área superficial de aproximadamente 60 millas cuadradas (radio de 4.5 millas), fijaría suficiente C02 para deshacer completamente la extracción de carbono de una planta generadora de energía de 1 gigawatt. Al mismo tiempo, el dióxido de carbono proporcionaría un nutriente esencial para respaldar el crecimiento de algas. Tal instalación podría producir lípidos de algas más co-productos de carbohidratos que podrían generar aproximadamente 14,000 galones/acres/año de la producción de combustible total, absorbiendo 6 millones de toneladas/año de C02 generado a partir de la planta generadora de energía. El valor del biodiesel generado más el metano producido al digerir anaeróbicamente la fracción de carbohidrato de las algas más los saldos de carbono potenciales generados podría producir una utilidad neta de más de dos veces el valor de la energía eléctrica generada por una planta generadora de energía activada con carbón típico o gas natural. Aunque existen miles de especies de algas de origen natural conocidas, cualquiera de las cuales puede utilizarse para la producción y formación de biodiesel de otros productos, en ciertas modalidades, las algas pueden diseñarse genéticamente para incrementar además la producción de materias primas por biodiesel por acre unitario. La modificación genética de las algas para producción de productos específicos es relativamente directa utilizando técnicas bien conocidas en el arte. Sin embargo, los métodos de bajo costo para el cultivo, recolección y extracción del producto descritos en la presente pueden utilizarse ya sea con algas transgénicas o no transgénicas. El técnico experimentado entenderá que diferentes cepas de algas exhibirán diferente crecimiento y productividad de aceite y que bajo diferentes condiciones, el sistema puede contener una sola cepa de algas o una mezcla de cepas con diferentes propiedades, o cepas de algas más bacterias simbióticas. La especie de algas utilizada puede optimizarse por ubicación geográfica, sensibilidad a la temperatura, intensidad de luz, sensibilidad al pH, salinidad, calidad de agua, disponibilidad de nutrientes, diferencias estacionales en temperatura o luz, los productos finales deseados que se obtengan a partir de las algas y una variedad de otros factores . El sistema de biorreactor cerrado descrito y los métodos son ampliables a cualquier nivel de producción deseado, resultando en producción de materias primas de biodiesel a precios al por mayor muy por debajo de los actuales; incluso sin factoraje en subsidios de gobierno para combustibles biodiesel. Algunas modalidades pueden contener aparatos, métodos y sistemas para control de temperatura del cultivo de algas. En una modalidad preferida, el biorreactor cerrado está comprendido de tubos de plástico flexibles con una capa de barrera térmica ajustable. Los tubos y la barrera térmica pueden construirse de una variedad de materiales, tales como polietileno, polipropileno, poliuretano, policarbonato, polivinilpirrolidona, cloruro de polivinilo, poliestireno, poli ( tereftalato de etileno) , poli (naftalato de etileno), poli (tereftalato de 1,4-ciclohexandimetileno) , poliolefina, polibutileno, poliacrilato y cloruro de polivinilideno . En modalidades que implican cultivo de algas u organismos fotosintéticos que se alimentan de algas, el material de la barrera térmica exhibe de preferencia una transmisión de luz visible en las longitudes de onda roja y azul de al menos 50%, de preferencia más de 60%, más preferiblemente más de 75%, más preferiblemente más de 90%, más preferiblemente más de 90%, muy preferiblemente alrededor de 100%. En otras modalidades preferidas el material utilizado para la superficie superior de los tubos exhibe una transmisión de luz visible de al menos 90%, más preferiblemente más de 95%, más preferiblemente más de 98%, muy preferiblemente alrededor de 100%. En modalidades preferidas, se utiliza polietileno. El polietileno transmite tanto radiación del cuerpo de onda larga como luz visible roja y azul, permitiendo al sistema de control de temperatura radiar el calor interno del agua a la luz nocturna y permitiendo a las algas recibir luz visible para respaldar la fotosíntesis si el medio está sobre o debajo de la barrera térmica. El polietileno exhibe transmisión incrementada de luz infrarroja de onda larga asociada con la radiación de cuerpo negro de temperatura ambiental, en comparación a ciertos tipos alternativos de plástico. En varias modalidades, capas delgadas de materiales que bloquean UV pueden aplicarse a la superficie de los tubos para reducir la degradación de UV del plástico. En otras modalidades, los tintes fluorescentes que convierten la luz infrarroja (IR) o ultravioleta (UV) al espectro de luz visible ( fotosintético) pueden incorporarse en el tubo para incrementar la eficacia de captura de energía solar por organismos fotosintéticos . Tales tintes se conocen en la técnica, por ejemplo, al recubrir las superficies de vidrio o plástico de los invernaderos, o en sistemas de alumbrado fluorescente que convierten la UV a longitudes de onda de luz visible. (Véase por ejemplo, Hemming et al., 2006, Eur. J. Hort . Sci. 71(3); Hemming et al., en Internacional Conference on Sustainable Greenhouse Systems, (Straten et al., eds.) 2005.) En modalidades que emplean una barrera térmica dentro de los tubos, el medio acuoso que contiene las algas puede dirigirse ya sea sobre o debajo de la barrera térmica. Bajo condiciones de temperatura baja, el líquido puede dirigirse sobre la barrera térmica, en donde se expone a irradiación solar incrementada incluyendo las longitudes de onda infrarrojas, resultando en un incremento de la temperatura. Bajo condiciones de alta temperatura, el líquido puede dirigirse debajo de la barrera térmica, en donde se protege parcialmente de irradiación solar y al mismo tiempo puede perder calor por contacto con la capa superficial subyacente. En aún otras modalidades, puede utilizarse la tierra subyacente del biorreactor cerrado como un disipador térmico y/o una fuente de calor, almacenando calor durante el día y liberándolo en la noche . Cuando la barrera térmica asciende (en la parte superior del tubo) , el líquido en los tubos se aisla a partir tanto de la transferencia de calor radioactivo como conductivo al ambiente externo. Sin embargo, ésta está en contacto térmico íntimo con el subsuelo. Cuando la barrera térmica desciende, el líquido puede ganar o perder fácilmente calor al ambiente mediante radiación y conducción. De hecho, la barrera térmica actúa como un interruptor térmico que puede utilizarse para tomar ventaja de condiciones ambientales oportunas como la noche, el día, la lluvia, las nubles, etc., para ganar o quitar calor para controlar la temperatura del fluido. El suelo debajo del aparato tiene masa térmica cuya temperatura puede modularse también por contacto térmico cercano cuando la barrera térmica está en la posición hacia arriba. La energía térmica en esta masa térmica puede utilizarse para controlar además la temperatura del fluido. Si se pronostica una noche fría, el fluido puede permitirse calentar a una temperatura ligeramente arriba de la óptima durante el día con la barrera térmica en la posición hacia abajo. El cambio de la barrera térmica a la posición hacia arriba transfiere esta energía térmica positiva a la masa térmica del suelo. Varios ciclos de calentamiento de fluido y calentamiento de suelo pueden ocurrir. El calor transferido dentro de la masa térmica de suelo puede entonces transferirse de nuevo al líquido durante una noche fría manteniendo la barrera térmica que está en la posición hacia arriba, para estabilizar la temperatura del agua en un rango óptimo. Alternativamente, cuando se pronostica un día excesivamente caliente, la barrera puede colocarse en la posición hacia abajo en la noche hasta que la mezcla sea ligeramente debajo de la temperatura óptima y luego se cambia a la posición superior, en donde el agua enfriada está en contacto con el suelo, para disminuir con bomba la temperatura del suelo. Este ciclo puede repetirse varias veces durante la noche. Cuando los días siguientes aumenta el calor, la barrera térmica asciende, por lo que se calienta el fluido térmicamente al suelo para prolongar el tiempo en que el fluido permanece en una temperatura aceptablemente baja. Otras modalidades pueden comprender un aparato y métodos para circulación de fluido dentro y la extracción de oxígeno u otros gases a partir del biorreactor cerrado. En una modalidad preferida, rodillos más grandes pueden disponerse para pasar sobre la superficie de los tubos cerrados, empujando líquido a lo largo de la bolsa. Además de mover el fluido, los rodillos podrían funcionar para recolectar burbujas de gases disueltos, tales como oxígeno que se genera por organismos fotosintéticos , los cuales pueden removerse del sistema para reducir la inhibición de oxígeno de crecimiento de algas. Debido a que la compresión de rodillos no se extiende hasta el final del fondo del tubo, el movimiento del rodillo crea una "contracorriente" localizada a alta velocidad inmediatamente bajo el rodillo que sirve para deshacer la superficie de tubo inferior para reducir la unión a y para la corrosión biológica de la superficie de tubo y para volver a suspender organismos que se han asentado al fondo del tubo. De forma similar, el movimiento de las burbujas de gas acumuladas y la interfaz de gas/agua enfrente del rodillo en la parte superior del tubo también deshace la superficie del tubo superior, reduciendo la formación de biopelículas e incrementando la transmisión de luz a través de la superficie superior. El sistema de rodillo es un método preferido para mover fluido a través de los tubos mientras se minimiza el esfuerzo cortante hidrodinámico que podría inhibir el crecimiento y la división de organismos acuáticos. Otro beneficio del sistema de rodillo es que cuando el fluido se desvía de abajo hacia arriba de la barrera térmica, el rodillo proporciona un mecanismo de energía baja para mover una barrera térmica flotable al fondo del tubo, cuando el rodillo semi-sella la barrera al fondo del tubo cuando se enrolla lo largo del tubo. Los sistemas de recolección, tales como bebederos pueden disponerse a suspensiones concentradas de sifón de algas que contienen aceite fuera del sistema. En una modalidad más preferida, el flujo hidrodinámico a través del biorreactor se diseña para producir un efecto de "remolino" por ejemplo, en una cámara en un extremo de las bolsas. El remolino resulta en una concentración de algas y la separación parcial del medio líquido, permitiendo una recolección más eficiente, o para remover subproductos indeseados de metabolismo como células muertas y bacterias que contienen mucílago. Otros mecanismos para agregar nutrientes y/o remover residuos a partir del biorreactor cerrado pueden proporcionarse también. Uno o más tubos para bebedero pueden acoplarse operablemente al sistema de remolino para incrementar la eficacia de recolección a partir de y/o la aportación de nutrientes al aparato. Ciertas modalidades pueden referirse a los inductores de vórtice axial para proporcionar rotación del volumen de suspensión de algas dentro del margen superior del biorreactor el cual en una acuicultura densa puede ser únicamente el volumen que recibe niveles notables de luz fotosintética . La rotación de la columna de agua dentro del tubo resulta en el movimiento periódico de organismos entre el ambiente rico en luz en la parte superior del tubo y las regiones oscuras en el fondo del tubo. En una modalidad preferida, los tubos flexibles que contienen las algas son de 30.48 cm (12 pulgadas) de altura. En la densidad elevada de las algas, la luz solar únicamente penetrará aproximadamente 2.54 cm (1 pulgada) de la capa superior de la suspensión. Sin un mecanismo para rotación de la columna de agua, organismos acuáticos en el margen superior podrían sobre-exponerse a la luz solar y los organismos acuáticos en 27.94 cm (11 pulgadas) de fondo podrán subexponerse . En una modalidad preferida, los inductores de vórtice axial comprenden deflectores de flujo interno (elementos giratorios estructurados de flujo axial) dentro de los tubos de plástico flexible, discutidos posteriormente. En una modalidad ejemplar, los deflectores pueden comprender tiras de 15.24 cm (6 pulgadas) de ancho por 30.48 cm (12 pulgadas) de largo de plástico flexible ahusada a 5.08 cm (2 pulgadas) en la mitad que se extienden verticalmente a través del tubo, con un grado de noventa vueltas desde la parte superior hasta el fondo de la tira. En la ilustración ejemplar de la FIGURA 17B, las tiras son vistas en borde de manera que la anchura media de 5.8 cm (2 pulgadas) no es aparente. Las tiras pueden disponerse, por ejemplo, en intervalos de aproximadamente espaciamientos de 30.48 cm (1 pie) a través del ancho del tubo (propulsores cuadrados definidos como un propulsor cuya inclinación = su diámetro) . En esta ilustración ejemplar, cuando el fluido fluye a través de la construcción del tubo las algas contenidas en el tubo de 30.48 cm (1 pie) de espesor podrían moverse hacia adelante en una espiral con un periodo rotacional de 95.70 cm (3.14 pies) longitudinalmente. Considerando una hilera de tiras que se extienden a través del ancho del tubo, tiras alternativas podrían exhibir una rotación en el sentido de las manecillas del reloj o contra las manecillas del reloj . A partir de la perspectiva de una columna de agua desplazando hacia abajo del eje largo del tubo, una columna sencilla podría girar ya sea en el sentido de las manecillas del reloj o contra las manecillas del reloj por debajo de la longitud completa del tubo, mientras columnas adyacentes exhibirían la rotación opuesta. Esto podría minimizar la turbulencia inducida friccional entre las columnas adyacentes de agua. El ancho, grado de rotación y espaciamiento de las tiras, incluyendo el espaciamiento entre hileras adyacentes de tiras, puede ajustarse para optimizar la rotación axial de turbulencia aleatoria baja, de fricción baja, de células individuales de las algas en y fuera de la zona de luz elevada. En las modalidades que utilizan una barrera térmica interna dentro de los tubos, un conjunto de inductores de vórtice axial puede disponerse en un lado de la barrera térmica y otro conjunto en el otro lado de la barrera. Ya que la turbulencia podría minimizarse por la extensión de los inductores de vórtice axial, se anticipa que en donde se utiliza una barrera térmica interna la desviación de fluido sería dirigida de manera que la mayoría del flujo de agua, de preferencia aproximadamente 90% o más, se dirija ya sea sobre o debajo de la barrera térmica. En esta configuración, un conjunto de inductores de vórtice axial podrían flexionarse entre la barrera térmica y la parte superior o fondo del tubo, mientras el otro conjunto se extendería completamente. Mientras estos inductores de vórtice axial se visualizan como tiras flexibles de polietileno de 0.025 cm (0.01 pulgadas) de espesor, podrían también ser construcciones plásticas abisagradas rígidas o incluso lengüetas o aros direccionales que se proyectan a partir de la superficie interna de las bolsas y la capa de barrera térmica sin conectar realmente una capa a la otra. En todos los casos, los elementos direccionales se disponen para crear flujos axiales en sentido contrario con una periodicidad lado por lado aproximadamente igual a la altura del canal de bolsa. Un modelo para flujo de agua inducido por los inductores de vórtice axial se ejemplifica en la FIGURA 17A, FIGURA 17B. En algunas modalidades, las propiedades de emisividad de la barrera térmica pueden ajustarse por la incorporación de otros materiales de características ópticas seleccionadas. Por ejemplo, la arena de cuarzo de fuentes específicas puede tener propiedades ópticas deseables y podría incrustarse dentro de la superficie superior de la barrera térmica. (Véase por ejemplo, la FIGURA 10) . Alternativamente, las perlas de vidrio o cuarzo impurificadas o azulejos de cerámica de propiedades ópticas seleccionadas podrían incrustarse dentro de la superficie superior de la barrera térmica. La FIGURA 11 muestra un perfil de transmisión óptica ejemplar para una barrera térmica idealizada. El material de barrera térmica actual en uso (polietileno espumado) hace pasar aproximadamente 60% de luz fotosintética y pueden utilizarse materiales que transmiten el 75% o más. Varias modalidades pueden relacionarse con un aparato y métodos para confeccionar producción de algas bajo condiciones ambientales. Un ejemplo de un biorreactor de percepción remota para optimización de condición y selección de cepas de algas se muestra en la FIGURA 8.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Los siguientes dibujos forman parte de la presente especificación y se incluyen para demostrar además ciertas modalidades de la presente invención. Las modalidades pueden entenderse mejor por referencia a uno más de estos dibujos en combinación con la descripción detallada de las modalidades específicas presentadas en la presente . La FIGURA 1 es un sistema ejemplar esquemático. La FIGURA 2 es una granja acuícola vista desde el cielo.

La FIGURA 3A, FIGURA 3B, FIGURA 3C, Figura 3D son un biorreactor ejemplar con rodillos y vórtices de recolección . La FIGURA 4 es un sistema de control térmico ejemplar La FIGURA 5 es una contramedida de bioincrustación ejemplar (nano recubrimiento) La FIGURA 6 es una autoclave de flujo continuo La FIGURA 7 es un rodillo de extracción ejemplar La FIGURA 8 es una tecnología de biorreactor de conducción remota ejemplar La FIGURA 9 es un sistema de dos bolsas alternativo para un biorreactor. La FIGURA 10 es un perfil de emisividad de una muestra de arena obtenida de Goleta Beach, CA La FIGURA 11 es un perfil de transmisión ejemplar de material idealizado para barrera térmica La FIGURA 12A y FIGURA 12B son una cámara de burbujas de C02 ejemplar para disolución de gas La FIGURA 13 es un Modelo para un dispositivo de remolino ejemplar La FIGURA 14 detalla además un dispositivo de remolino ejemplar, mostrando un tubo de escape y un cono de aceleración y aletas del estator La FIGURA 15A son mecanismos de fluido del dispositivo de remolino La FIGURA 15B es un remolino con tubos para bebedero La FIGURA 16 es una simulación por computadora de la temperatura de agua en un biorreactor cerrado con y sin una barrera térmica La FIGURA 17A y FIGURAS 17B son un flujo de agua inducido por inductores de vórtice axial ejemplares La FIGURA 18 es un biorreactor ejemplar de modelo de sistema cerrado de 1/5 de escala La FIGURA 19 es un rodillo ejemplar, paredes laterales y una cámara de extremo con una cámara de burbujas de C02 La FIGURA 20 es un rodillo ejemplar, paredes laterales y una cámara de extremo que contienen un dispositivo de remolino La FIGURA 21 es una modalidad preferida del tubo de desviación de flujo para el sistema de rodillo bidireccional La FIGURA 22 es un "protector de bajos" para un sistema de rodillo bidireccional La FIGURA 23 es una modalidad ilustrativa de un dispositivo de remolino La FIGURA 24 es un ejemplo de una construcción de tubo flexible y un mecanismo de unión La FIGURA 25 es un ejemplo de un sistema de impulsión por rodillos preferido La FIGURA 26 es un diseño de banda lateral de bolsa del reactor ejemplar La FIGURA 27 es un sistema controlador de un aparato biorreactor ejemplar La FIGURA 28A, FIGURA 28B, FIGURA 28C, FIGURA 28D es un ciclo de control ejemplar La FIGURA 29 es un modelo Frenel ejemplar para la superficie de tubo superior.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Los términos que no se definen de otra manera en la presente se utilizan de acuerdo con su significado simple y ordinario. Como se utiliza en la presente, "un" o "uno" puede significar uno o más de uno de un artículo. Como se utiliza en la presente, "aproximadamente" significa más o menos diez por ciento. Por ejemplo, "aproximadamente 100" se refiere a cualquier número entre 90 y 110.

Algas Transgénicas para Producción Mejorada de Aceite En ciertas modalidades, las algas de uso para producir biodiesel pueden diseñarse genéticamente (transgénicas) para contener una o más secuencias de ácido nucleico aisladas que mejoran la producción de petróleo o proporcionan otras características de uso para el cultivo, crecimiento o recolección de algas o su uso. Los métodos para transformar establemente especies y composiciones de algas que comprenden ácidos nucleicos aislados de uso se conocen bien en la técnica y cualesquiera métodos y composiciones pueden utilizarse en la práctica de la presente invención. Los métodos de transformación ejemplares de uso pueden incluir un bombardeo de microproyectiles , electroporación, fusión de protoplastos , transformación mediada por PEG, fibras de carburo de silicio recubiertas con ADN o el uso de transformación mediada viral (véase por ejemplo, Sanford et al., 1993, Meth. Enzymol . 217:483-509; Dunahay et al., 1997, Meth. Molec . Biol . 62:503-9; Patentes Norteamericanas Nos. 5,270,175; 5,661,017, incorporadas en la presente para referencia) . Por ejemplo, la Patente Norteamericana No. 5,661,017 describe métodos para la transformación de algas que contienen clorofila C, tales como la Bacillariophyceae, Chrysophyceae , Phaceophyceae , Xantophyceae , Raphidophyaceae , Prymnesiophyceae , Cryptophyceae , Cyclotella, Navícula, Cylíndrotheca, Phaeodactylum, Amphora, Chaetoceros, Nitzschia o Thalassiosira . Las composiciones que comprenden ácidos nucleicos de uso, tales como acetil-CoA carboxilasa, se describen también. En varias modalidades, un marcador seleccionable puede incorporarse dentro de un ácido nucleico aislado o vector para seleccionar algas transformadas. Marcadores seleccionables de uso pueden incluir neomicina fosfotransferasa, aminoglicósido fosfotransferasa, aminoglicósido acetiltransferasa, cloranfenicol acetil transferasa, higromicina B fosfotransferasa, proteina de enlace de bleomicina, fosfinotricina acetiltransferasa, bromoxinil nitrilasa, 5 -enolpiruvilshikimato- 3 - fosfato sintasa resistente a glifosato, proteína S14 ribosomal resistente a criptopleurina, proteína S14 ribosomal resistente a emetina, acetolactato sintasa resistente a sulfonilurea, acetolactato sintasa resistente a imidazolinona, AR ribosomal 16S resistente a estreptomicina, ARN ribosomal 16S resistente a espectinomicina, ARN ribosomal 23S resistente a eritromicina o tubulina resistente a metil bencimidazol . Se conocen secuencias de ácido nucleico reguladoras para mejorar la expresión de un transgen, tales como la secuencia control reguladora 5' no traducida de C. cryptica acetil-CoA carboxilasa, una secuencia control reguladora 3' no traducida de C. acryptica acetil-CoA carboxilasa y combinaciones de las mismas.

Separación de Algas y Extracción de Aceite En varias modalidades, las algas pueden separarse del medio y varios componentes de algas, tales como aceite, pueden extraerse utilizando cualquier método conocido en la técnica. Por ejemplo, las algas pueden separarse parcialmente del medio utilizando una circulación de remolino estacionaria, recolección por vórtice y/o tubos de succión como se discute posteriormente. Alternativamente, las centrifugadoras comerciales a escala industrial de gran capacidad pueden utilizarse para suplemento o en lugar de otros métodos de separación. Tales centrifugadoras pueden obtenerse de fuentes comerciales conocidas (por ejemplo, Cimbria Sket o IBG Monforts, Germany; Alfa Laval A/S, Denmark) . La centrifugación, sedimentación y/o filtrado pueden también ser de uso para purificar aceite a partir de otros componentes de algas. La separación de algas del medio acuoso puede facilitarse por la adición de floculantes, tales como arcilla (por ejemplo, de tamaño de partícula menor de 2 mieras) , sulfato de aluminio o poliacrilamida . En la presencia de floculantes, las algas pueden separarse por simple asentamiento gravitacional , o pueden separarse más fácilmente por centrifugación. La separación de algas con base en floculantes se describe por ejemplo en la Publicación de Solicitud de Patente Norteamericana No. 20020079270, incorporada en la presente para referencia. El técnico experimentado se dará cuenta de que cualquier método conocido en la técnica para separar células, tales como algas, a partir del medio líquido pueden utilizarse. Por ejemplo, la Publicación de Solicitud de Patente Norteamericana No. 20040121447 y la Patente Norteamericana No. 6,524,486, cada una incorporada en la presente para referencia, describen un dispositivo de filtro de flujo tangencial y un aparato para separar parcialmente algas de un medio acuoso. Otros métodos para separación de algas del medio se han descrito en las Patentes Norteamericanas Nos. 5,910,254 y la 6,524,486, cada una incorporada en la presente para referencia. Pueden utilizarse otros métodos publicados para separación y/o extracción de algas (Véase por ejemplo, Rose et al., Water Science and Technology 1992, 25:319-327; Smith et al., Northwest Science, 1968, 42:165-171; Moulton et al., Hydrobiologia 1990, 204/205:401-408; Borowitzka et al., Bulletin of Marine Science, 1990, 47:244-252; Honeycutt, Biotechnology and Bioengineering Symp. 1983, 13:567-575). En varias modalidades, las algas pueden desintegrarse para facilitar la separación de aceite y otros componentes. Cualquier método conocido para la desintegración de células puede utilizarse, tal como ultrasonicación, prensa francesa, choque osmótico, esfuerzo cortante mecánico, prensa fría, choque térmico, interruptores de rotor-estator, procesadores de tipo de válvula, procesadores de geometría fija, descompresión de nitrógeno o cualquier otro método conocido. Interruptores celulares comerciales de capacidad elevada pueden adquirirse de fuentes conocidas. (Por ejemplo, GEA Niro Inc., Columbia, MD; Constant Systems Ltd., Daventry, England; Microfluidics , Newton, MA) . Los métodos para desintegrar microalgas en suspensión acuosa se describen por ejemplo, en la Patente Norteamericana No. 6,000,661, incorporada en la presente para referencia.

Conversión de Algas en Biodiesel Se conoce en la técnica una variedad de métodos para conversión de materiales derivados fotosintéticos en biodiesel y cualquier método conocido puede utilizarse en la práctica de la presente invención. Por ejemplo, las algas pueden recolectarse, separarse del medio liquido, lisarse y separar el contenido de aceite. El aceite producido por las algas será rico en triglicéridos . Tales aceites pueden convertirse en biodiesel utilizando métodos bien conocidos, tales como el proceso Connemann (véase por ejemplo, Patente Norteamericana No. 5,354,878, incorporada en la presente para referencia) . Los procesos de transesterificación estándar implican una reacción de transesterificación catalizada alcalina entre el triglicérido y un alcohol, típicamente metanol. Los ácidos grasos del triglicérido se transfieren al metanol, produciendo ésteres de alquilo (biodiesel) y liberando glicerol. El glicerol se remueve y puede utilizarse para otros propósitos. Modalidades preferidas pueden implicar el uso del proceso Connemann (Patente Norteamericana No. 5,354,878). En contraste, los métodos de reacción discontinua (por ejemplo, J. Am. Oil Soc . 61:343, 1984), el proceso Connemann utiliza flujo continuo de la mezcla de reacción a través de las columnas del reactor, en las cuales el índice de flujo es más bajo que el índice de descenso de la glicerina. Esto resulta en la separación continua de la glicerina a partir del biodiesel. La mezcla de reacción puede procesarse a través de columnas de reacción adicional para completar el proceso de transesterificación . El metanol residual, glicerina, ácidos grasos libres y catalizador pueden removerse por extracción acuosa. El proceso Connemann se establece apropiadamente para la producción de biodiesel a partir de fuentes vegetales tales como aceite de semilla de colza y a partir del 2003 se utilizó en Alemania para la producción de aproximadamente 1 millón de toneladas de biodiesel por año (Bockey, "producción de Biodiesel y comercialización en Alemania" , www . proj ectbiobus . com/IOPD_E_RZ . pdf) . Sin embargo, el técnico experimentado se dará cuenta que puede utilizarse cualquier método conocido en la técnica para producir biodiesel a partir de aceites que contienen triglicéridos , por ejemplo, como se describe en las Patentes Norteamericanas Nos. 4,695,411; 5,338,471; 5,730,029; 6,538,146; 6,960,672, cada una incorporada en la presente para referencia. Pueden utilizarse métodos alternativos que no implican la transesterificación. Por ejemplo, por pirólisis, gasificación o licuefacción termoqulmica (véase por ejemplo, Dote, 1994, Fuel 73:12; Ginzburg, 1993, enewable Energy 3:249-52; Benemann y Oswald, 1996, DOE/PC/93204 -T5 ) .

Otros Productos de Algas En ciertas modalidades, los métodos, composiciones y aparatos descritos pueden utilizarse para el cultivo de algas comestibles para animales o seres humanos. Por ejemplo, la Spírulina es un alga azul-verde planctónica que es rica en nutrientes, tales como proteínas, aminoácidos, vitamina B-12 y carotenoides . El consumo humano de Spírulina cultivada en granjas de algas suma más de mil toneladas métricas anualmente. El técnico experimentado se dará cuenta de que cualquier tipo de algas independientes puede cultivarse, recolectarse y utilizarse por el sistema reclamado, incluyendo algas comestibles como Spírulina, Dunaliella o Tetraselmis (véanse las Patentes Norteamericanas Nos. 6,156,561 y 6,986,323 cada una incorporada en la presente para referencia) . Otros productos con base en algas pueden producirse utilizando los métodos, aparatos y sistema reclamados. Por ejemplo, la Patente Norteamericana No. 5,250,427, incorporada en la presente para referencia, describe métodos para fotoconversión de materiales orgánicos tales como algas en plásticos biológicamente degradables. Cualquier método conocido para producir productos útiles por cultivo de cualquier alga normal o transgénica puede utilizarse.

EJEMPLOS Los métodos, composiciones, aparatos y sistema descritos y reclamados en la presente tienen que ver con la tecnología que soporta el cultivo y recolección a gran escala y de bajo costo de cultivos de algas contenidos en el agua. Esta tecnología puede utilizarse para respaldar la fabricación industrial de varios productos que pueden proporcionar diferentes especies de algas. Esta tecnología puede ser de uso para respaldar económicamente el cultivo y recolección masiva de algas. El aparato descrito se refiere en general en la presente como un "biorreactor" , "foto-biorreactor" , "biorreactor de sistema cerrado" y/o "aparato biorreactor" . Otra maquinaria, aparato y/o tecnologías de uso con el biorreactor puede incluir tecnología de esterilización, tecnología de infusión de C02 y/o tecnología de extracción.

Ejemplo 1. Sistema Biorreactor La FIGURA 1 ilustra una Representación Esquemática del Sistema ejemplar. Elementos del sistema ejemplar incluyen tecnología de Biorreactor, tecnología de recolección, tecnología de Esterilización, tecnología de infusión de C02, tecnología de Extracción, tecnología de biorreactor de conducción remota. Como se ilustra en la FIGURA 1, la operación de cultivo de algas puede derivar nutrientes a partir de operaciones para alimentación animal, tales como abono para puercos. Después del procesamiento y esterilización, tales nutrientes orgánicos pueden almacenarse y/o agregarse al medio de cultivo para respaldar el crecimiento de las algas. Ya que las algas fotosintéticas "fijan" C02 para la conversión en compuestos de carbono orgánico, una fuente de C02, por ejemplo, la extracción de gas de una planta generadora de energía, puede utilizarse para ayudar a disolver el C02 en el medio de cultivo. El C02 y los nutrientes pueden utilizarse por las algas para producir aceite y otros productos biológicos. Las algas pueden recolectarse y extraer el aceite, proteínas, lípidos, carbohidratos y otros componentes. Los componentes orgánicos no utilizados para producción de biodiesel pueden reciclarse en comida para animales, fertilizantes, nutrientes para el crecimiento de algas, como materia prima para generadores de metano, u otros productos. El aceite extraído puede procesarse, por ejemplo, por transesterificación con alcoholes de peso molecular bajo, incluyendo, pero sin limitarse a metanol, para producir glicerina, ésteres del ácido graso y otros productos. Los ásteres del ácido graso pueden utilizarse para producción de biodiesel. Como se sabe también en la técnica, la transesterificación puede ocurrir a través de procesos de flujo discontinuos o continuos y puede utilizar varios catalizadores, tales como alcoholatos metálicos, hidruros metálicos, carbonatos metálicos, acetatos metálicos, varios ácidos o álcalis, especialmente alcóxido o hidróxido de sodio o hidróxido de potasio. Los productos del sistema biorreactor cerrado no se limitan, pero pueden incluir Biodiesel, Carburantes, Combustibles de encendido por chispas, Metano, Bio-polímeros (plásticos) , Productos para alimentación humana, comida para animales, Productos farmacéuticos tales como vitaminas y medicinas, Oxígeno, Mitigación de desechos (remoción de productos) , Mitigación de gas residual (por ejemplo, C02 secuestrante) .

Ejemplo 2. Cultivo Biorreactor Ciertas modalidades ejemplares se ilustran en la FIGURA 2, la cual muestra una vista aérea de un sistema biorreactor cerrado para cultivo de algas. En esta ilustración ejemplar, el cultivo de algas se desarrolla en tubos plásticos transparentes sustancialmente horizontales, que se colocan en forma horizontal en el suelo, que tienen medios de crecimiento acuosos desplazándose, por lo que se mantiene las algas en suspensión. (Sustancialmente horizontal quiere decir que la inclinación de la superficie del suelo bajo un biorreactor sencillo se nivela dentro de aproximadamente 2.54 cm (1 pulgada) de manera que las acciones del mezclado, movimiento de agua y la tensión del tubo plástico son generalmente firmes en todo el tubo. Sin embargo, el técnico experimentado se dará cuenta que en las otras modalidades una disposición de terraza podría utilizarse para permitir grandes series de biorreactores individuales con el bombeo de fluido a partir de partes bajas y altas del sistema total) . En modalidades preferidas, los tubos son de pared delgada, de manera que son económicos y están comprimidos por los costados para extenderse en el suelo hasta que estén llenos de agua aproximadamente 20.32 a 30.48 cm (8 a 12 pulgadas) de espesor. Esto es aproximadamente el espesor máximo en que las algas cargadas con agua pueden cambiarse con el fin de exponer todas las porciones igualmente a luz fotosintética roja y azul, la cual penetra solamente alrededor de 2.54 cm (1 pulgada) debido a la absorción y el efecto de sombreado de otras algas . El ancho de los tubos puede ser nominalmente de aproximadamente 25.4 a 50.8 cm (10 a 20 pies) y la longitud de aproximadamente 254 a 508 cm (100 a 600 pies) . Sin embargo, el técnico experimentado se dará cuenta que tales dimensiones no son limitantes y que otras longitudes, anchuras y espesores pueden utilizarse. En general, nutrientes, salinidad apropiada o contenido de minerales, C02 y luz solar se presentan en el medio acuoso. El medio se ha sembrado con un alga deseable escogida para proporcionar un producto final particular y para cultivarse bien en el biorreactor y entonces se propaga y multiplica siempre y cuando las condiciones de crecimiento sean suficientes. Con referencia a la FIGURA 1, la Representación Esquemática del Sistema Preferido, el biorreactor es únicamente un componente de un sistema total que alimenta el biorreactor y recolecta las algas desde éste . Con referencia de nuevo a la FIGURA 2, la Figura ilustra un diseño ejemplar de una granja relativamente pequeña, capaz de producir 6000 galones de biodiesel al día. La vista muestra 1400 biorreactores individuales que se conectan como hojas en un helécho a rieles de servicio central . El técnico experimentado se dará cuenta que otras configuraciones son posibles, aunque en las modalidades preferidas una disposición de bolsa más o menos lineal que contiene las algas de cultivo se utiliza.

Ejemplo 3. Aparato Biorreactor de Sistema Cerrado Las FIGURA 3A, FIGURA 3B, FIGURA 3C, FIGURA 3D muestran un ejemplo no limitante de un aparato biorreactor de sistema cerrado. Un medio acuoso está contenido en tubos sustancialmente transparentes (bolsas) , discutidos en más detalle posteriormente. Los contenidos de líquidos de la bolsa pueden circular por rodillos movibles que ruedan a través de la superficie de la bolsa, empujando el líquido enfrente de ellos. En este ejemplo no limitante, los rodillos recorren un riel de soporte de rodillos y son guiados por cables unidos a carros que ruedan en la parte superior del riel. Un sistema de impulsión de rodillos descrito en la FIGURA 25 proporciona una fuerza motriz para movimiento de los rodillos. En una modalidad alternativa no mostrada aquí, cuando los rodillos alcanzan el extremo de la bolsa, pueden hacerse girar o levantarse hacia arriba para regresar al punto de partida en una trayectoria ovalada continua. Sin embargo, en las modalidades preferidas mostradas, los rodillos bio-direccionales utilizados que viajan desde un extremo de una bolsa al otro y luego en dirección inversa para regresar al punto de partida, como se discute posteriormente. El uso de un sistema de rodillos proporciona circulación de líquido mientras se genera fuerza cortante hidrodinámica, en contraste a las bombas mecánicas estándares para movimiento de fluido. La FIGURA 3A muestra un sistema de dos bolsas, ejemplar, cada bolsa se acopla operablemente a un rodillo. Las bolsas se unen a los extremos por cámaras, lo cual podría mantener cámaras de burbujas de C02, un dispositivo de remolino, varios sensores (por ejemplo, pH, 02 disuelto, conductividad, temperatura) , accionadores para mover la barrera térmica, y conexiones para tuberías para el transporte de agua, nutrientes y/u organismos acuáticos recolectados, tales como algas. Como se indica en la FIGURA 3B, en un sistema de rodillo bidireccional , los tubos pueden colocarse a lo largo del suelo, con los rodillos moviéndose sustancialmente paralelos a la superficie del suelo. Sin embargo, en los extremos de los tubos, el suelo bajo el tubo puede excavarse para formar una depresión, la cual puede revestirse con un "protector de bajos" como se describe posteriormente. Esta disposición permite al agua en los tubos fluir bajo los rodillos cuando los rodillos alcanzan los extremos de los tubos y se colocan sobre los protectores de bajos. Después que el flujo de agua se ha reducido lo suficiente, los rodillos pueden revertir la dirección y regresar a su posición de partida, resultando en un flujo en sentido alternativo de las manecillas del reloj y contra las manecillas del reloj de agua a través del aparato. Los rodillos forman una clase de bomba peristáltica, pero difieren en dos aspectos. En primer lugar, la fuerza de llenado peristáltica se proporciona por la acción de nivelación de gravedad en el fluido en lugar del regreso elástico que se observa en muchas bombas. En segundo lugar, los rodillos solamente comprimen los tubos hacia abajo aproximadamente 85% en lugar de completamente. Esto significa que la presión de fluido diferencial del frente a la parte trasera del rodillo causa un flujo directo inverso a velocidad relativamente elevada bajo el rodillo, como se discute posteriormente. En algunas modalidades, la velocidad del rodillo (y por consiguiente la velocidad del fluido) puede ser de aproximadamente 30.48 cm (1 pie) /segundo . En varias modalidades, el medio acuoso puede utilizarse para cultivar algas fotosintéticas . Durante la fotosíntesis, las algas absorben C02 y liberan gas oxígeno. Cuando el rodillo se mueve a lo largo de la superficie superior de la bolsa, el oxígeno y otros gases, el medio de fluido y las algas se empujan hacia delante del rodillo. Esto no solamente mueve las algas a través de la bolsa, sino también proporciona una acción de mezclado para el medio. Los rodillos pueden empujar una burbuja de gas enfrente de ellos. Esto es una combinación de gases liberados a partir del agua, un C02 des-absorbido, y oxígeno generado por algas fotosintéticas . La burbuja de gas enfrente de los rodillos puede recolectarse en cámaras extremas y ventilarse a la atmósfera o almacenarse, para evitar la inhibición de oxígeno de la fotosíntesis. En algunas modalidades el oxígeno almacenado puede volverse a inyectar en el aparato en la noche para respaldar el metabolismo de algas durante los periodos no fotosintéticos . Alternativamente, el oxígeno recolectado puede conducirse por tubería a una planta generadora de energía para incrementar la eficacia de sus procesos de combustión. Los rodillos pueden causar también cambio óptico de algas, el cual se desea para modular su entrada de luz. De otra manera, las algas comienzan a sobre-saturarse con luz o privarse de luz y la producción de gas desciende . Como se ilustra en las FIGURAS 3B-3D, el rodillo no alcanza todo el camino al fondo del tubo. Esto resulta en una contracorriente de velocidad elevada, inmediatamente bajo el rodillo, en donde la fuerza aplicada al líquido enfrente del rodillo resulta en movimiento de fluido hacia atrás bajo el rodillo. Esta contracorriente tiene varios efectos, incluyendo la frotación de la superficie de fondo del tubo para reducir la bioincrustación y volviendo a suspender algas u otros organismos acuáticos que se han asentado en el fondo de la bolsa en el medio. Una barrera térmica puede incluirse dentro de la bolsa, separando los componentes líquidos en capa superior e inferior para control térmico. Dependiendo de cómo se regula el movimiento de fluido, el líquido puede desviarse principalmente en la capa superior del tubo sobre la barrera térmica (FIGURA 3D) o dentro de la capa inferior del tubo debajo de la barrera térmica (FIGURA 3C) . La FIGURA 3B muestra a los rodillos en dos posiciones alternativas para ilustrar el control de compartimiento. Cuando el líquido está en la capa superior, la burbuja de gas recolectado se fuerza contra la superficie superior del tubo flexible (FIGURA 3D) . La interfaz de aire-agua en movimiento enfrente del rodillo actúa entonces para frotar la superficie superior del tubo flexible, reduciendo la bioincrustación y manteniendo la transmisión de luz de la superficie de tubo superior. Esta acción de frotamiento puede mejorarse por la inclusión de discos depuradores ligeramente flotables de 2.54 cm (1 pulgada) de diámetro por 6.35 mm (1/4 pulgada) de espesor que circulan deliberadamente en el fluido y que tienden a empujarse hacia delante del rodillo. Otras formas sólidas de tamaño similar pueden diseñarse por aquellos expertos en la técnica al frotar el interior de los sistemas de fluido. En la práctica, miles de estos discos u otras formas sólidas estarían residentes en el biorreactor, pero no tanto como para reducir la transmisión de luz apreciablemente . Estos se separarían de la mezcla de algas con tamices antes de la cosecha y tendrían una flotabilidad suficientemente baja de manera que podrían lavarse en el espacio de burbujas de aire por delante de un rodillo por la corriente de fluido prevaleciente causada por el rodillo previo. Cuando el líquido está en la capa inferior (FIGURA 3C) la parte inferior de la capa de barrera térmica se frota en la misma manera para mantener la transmisión de luz a través de ést . Como se muestra en las FIGURAS 3A-3B, los mecanismos pueden incorporarse en el aparato, por ejemplo, en los extremos de la bolsa, para recolectar algas, agregar o remover gases, nutrientes y/o desechos o para otros propósitos. En una modalidad preferida, el movimiento de fluido hidrodinámico en los extremos de las bolsas puede diseñarse para promover la formación de circulación de remolino estacionaria, discutida en más detalle posteriormente, la cual puede utilizarse para mejorar la eficacia de la recolección de organismos acuáticos y/o la introducción de nutrientes, la remoción de desechos o para otros propósitos. El lado derecho de las FIGURAS 3A-3B muestra un dispositivo de remolino para recolectar organismos acuáticos, discutido en más detalle posteriormente . La modalidad ilustrativa muestra un modelo de búsqueda que es de únicamente 19.812 metros (65 pies) de largo, con bolsas de biorreactor individuales que son de 132.08 cm (52 pulgadas) de ancho. En una modalidad de escala de producción preferida, cada una de las dos bolsas podría ser de aproximadamente 91.44 metros (300 pies) de largo y 3.04 a 6.09 metros (10 a 20 pies) de ancho para un área de fotosíntesis total de 0.15 a 0.30 acres por ensamble de biorreactor. Cada biorreactor debe cultivar aproximadamente 7 a 14 galones de biodiesel por día o más. En algunas modalidades, un tubo sencillo puede formarse para contener una capa superior, una barrera térmica interna, y una capa inferior como se muestra en la FIGURA 4, y en el lado derecho de la FIGURA 23. En modalidades alternativas descritas en la FIGURA 9, un sistema de bolsa dual puede utilizarse con bolsas superior e inferior separadas y una barrera térmica entre éstas. En la operación, tal sistema se comportaría de forma idéntica al sistema de bolsa sencilla discutido anteriormente. La ventaja del sistema de bolsa dual es que elimina potencialmente la necesidad de costuras laterales selladas, proporcionando mayor estabilidad estructural y disminuyendo costos. Además, ya que la capa de emisividad elevada y aislante (discutida posteriormente) no necesita ser impermeable, existen opciones adicionales para la selección de materiales. También, ya que la capa de barrera térmica no se expone a las algas, elimina la posibilidad de bioincrustación de ese material. Finalmente, el aislante y la capa de emisividad elevada pueden retenerse cuando las bolsas se reemplazan, proporcionando ahorros de costo adicionales. La FIGURA 9 también muestra una capa opcional de una capa de suavizante de suelo, tal como cenizas sueltas, depositadas entre la bolsa y el suelo, las cuales pueden utilizarse con un sistema de una bolsa o de dos bolsas. La ceniza suelta es un material de costo bajo que puede obtenerse en el local de plantas generadoras de energía y aquel que tiene una naturaleza cáustica suficiente como para retardar el crecimiento de plantas bajo las bolsas del biorreactor. Otros materiales incluyendo sal pueden colocarse bajo las bolsas para retardar el crecimiento. Una red sobre la bolsa superior es opcional.

Ejemplo 4. Control Térmico de Medio Acuoso En la modalidad ejemplar de la FIGURA 3A, FIGURA 3B, FIGURA 3C, FIGURA 3D el tubo en una configuración preferida tiene una construcción que incluye un compartimiento aislante de alta emisividad (barrera térmica) instalado horizontalmente hacia abajo del centro. Las últimas pulgadas de este compartimiento pueden endurecerse con una barra que puede impulsarse hacia arriba por accionadores para cerrar el tubo superior, o hacia abajo para cerrar el tubo inferior. La barra se construye con un reborde de sellado flexible que sirve como una válvula unidireccional que permite fluido o flujo de gas fuera del tubo superior o inferior incluso cuando un compartimiento se asegura para evitar la entrada de fluido. Esto permite al rodillo expulsar fluido residual o gas de una cámara independientemente de la posición de válvula de compartimiento. El rodillo izquierdo (FIGURA 3C) parece que enrolla el fluido en el fondo del tubo, debajo de la barrera térmica, en la cámara izquierda. Después que el fluido recircula de regreso alrededor del lado derecho, en donde un compartimiento está en la posición hacia abajo, se canaliza sobre la barrera térmica, permitiendo al fluido llenar la parte superior del tubo. Esto es un ejemplo de cómo la posición de un compartimiento puede causar el movimiento de fluido entre las partes superior e inferior del tubo sin mucho uso de energía. El propósito de este movimiento es el control térmico del fluido. Un ejemplo no limitante de control térmico de biorreactor se ilustra en la FIGURA 4, la cual muestra una sección transversal de un tubo flexible mirándolo longitudinalmente. El propósito del control térmico es mantener las algas en el medio en su temperatura óptima y evitar que los tubos se congelen en temperaturas ambientales de bajo cero, o de sobrecalentamiento durante los días veraniegos calientes. Los aspectos del control térmico implican el uso de diferentes componentes de bolsas con propiedades de transmisión óptica y/o térmica seleccionadas. Por ejemplo, una lámina superior (por ejemplo, polietileno transparente de 0.025 cm (0.01 pulgadas) de espesor) puede permitir la entrada de luz y calor dentro o fuera. Una barrera térmica puede comprender una lámina flexible que se diseña para absorber luz infrarroja, pero hace pasar luz visible para fotosíntesis, traslapando un aislante conductivo. En algunas modalidades, la barrera térmica puede ser un compuesto que comprende una lámina aislante flexible unido a una lámina que absorbe IR. El aislante puede comprender, por ejemplo, una capa de 1.27 cm (1/2 pulgada) (R2) o 2.54 cm (1 pulgada) (R4) de espesor de polietileno espumado. El tubo también comprende una lámina inferior que es normalmente, pero no necesariamente, idéntica en composición a la lámina superior. El tubo puede formarse sellando por lado dos láminas (superior e inferior) o tres láminas (superior, de barrera térmica e inferior) o plástico flexible, aunque otros mecanismos pueden utilizarse, tales como proporcionando un tubo sin soldadura por extrusión o soplado continuo de una lámina cilindrica de plástico. Una tela de plástico que es resistente a interrupción física/mecánica pero es conductiva de calor puede colocarse entre el suelo y el tubo. El suelo puede tratarse o prepararse para ser relativamente plano, suave, conductivo de calor y resistente a la planta. Los costados pueden proporcionarse para respaldar físicamente el tubo lleno con fluido y/o proporcionar aislamiento térmico adicional desde los lados del tubo y adicionalmente para respaldar y guiar los carros del rodillo. Como se muestra en la FIGURA 4, en un modo no aislante, el agua se canaliza sobre la barrera térmica en el tubo, permitiendo emisión de calor a aire frío (noche) o absorción de calor a partir de la radiación infrarroja solar durante el día. Este modo permite también la máxima absorción de luz visible para fotosíntesis. La transferencia de calor puede ocurrir por la conducción o convección así como emisión o absorción de IR. En el modo aislante, el fluido se canaliza debajo de la barrera térmica, estabilizando térmicamente la temperatura de fluido por contacto con la masa térmica del suelo. La barrera térmica aisla el fluido de la radiación de IR solar. La luz visible puede pasar aún a través de la barrera térmica para respaldar la fotosíntesis, aunque la eficacia de transmisión es menor de 100%. Durante la noche, el contacto del suelo podría calentar el fluido, mientras durante el día, el contacto del suelo podría enfriar el fluido. En algunas modalidades, la transferencia de calor para o desde el suelo puede utilizarse para bombear el suelo como un disipador térmico o para uso para moderar la temperatura fluida durante el día o la noche. Por ejemplo, transferir calor al suelo durante el día y absorberlo en la noche para mantener el fluido más caliente en meses invernales o transferir calor desde el suelo durante la noche y utilizando el suelo como un disipador térmico para enfriar el fluido durante el día en el verano. En modalidades alternativas, el control térmico activo con agua de la planta generadora de energía puede utilizarse. El agua caliente a partir de las torres de enfriamiento de la planta generadora de energía puede bombearse a una alfombra de plástico colocada bajo la parte de entubado del biorreactor. Cuando se enfría, esta fuente de calor adicional puede utilizarse para evitar congelamiento y/o estar bajo temperaturas de crecimiento de algas óptimas. El técnico experimentado se dará cuenta que una variedad de fuentes de calor pueden utilizarse, tales como extracción de la planta generadora de energía, calor geotérmico, calor solar almacenado u otras alternativas. Adicionalmente , en estaciones calientes o ubicaciones de flujo solar elevado, sistemas evaporativos u otros sistemas de enfriamiento que pueden accionarse eficientemente pueden utilizarse para evitar el sobrecalentamiento de las algas. En algunas modalidades, las propiedades de emisividad de la barrera térmica pueden ajustarse por la incorporación de otros materiales de características ópticas seleccionadas, tales como arena de cuarzo (ee, por ejemplo, la FIGURA 10) , perlas o tejas de vidrio o cuarzo impurificadas de propiedades ópticas seleccionadas, que podrían incrustarse dentro de la superficie superior de la barrera térmica. El mecanismo de control térmico discutido anteriormente es altamente efectivo al mantener las temperaturas en un margen para crecimiento óptimo de algas. La FIGURA 16 muestra datos de temperatura del agua confeccionados por computadora, utilizando las condiciones ambientales en Fort Collins, Colorado entre enero y junio del 2006, con una barrera térmica R-4 (espuma de 2.54 cm (1 pulgada) de espesor) y una capa de absorción de luz infrarroja ideal (véase la FIGURA 11) . Los márgenes de temperatura del agua se confeccionan con (gris) y sin (negro) la presencia de una barrera térmica. Puede observarse que temperaturas de Primavera y Verano se estabilizaron en gran medida en el margen de 20 a 30°C con la barrera térmica, mientras que la ausencia de la barrera térmica en la temperatura del agua en verano alcanza 45°C o más . La barrera térmica disminuye la temperatura máxima del verano por aproximadamente 10 °C. La barrera es menos efectiva al mantener la temperatura de agua invernal en el margen óptimo. Varias alternativas están disponibles para producción de organismos acuáticos en invierno, tal como el uso de calor de fuentes suplementales (por ejemplo, extracción de la planta generadora de energía) , la ubicación de unidades de producción en climas más calientes en donde la temperatura del verano no es tan fría, o el uso de una especie de alga tolerante al frío tal como Haematococcus sp.

Ejemplo 5. Remolino y Bebedero Un remolino de recolección ejemplar de diseño alternativo se ilustra en el lado derecho de la FIGURA 3A, FIGURA 3B, FIGURA 3C, FIGURA 3D y el diseño del tubo de retención se muestra en las FIGURAS 15A y 15B. Aunque las modalidades preferidas de un biorreactor incluyen tal dispositivo de remolino, el aparato no es tan limitado y en las modalidades otros métodos y dispositivos para recolectar algas a partir del medio pueden utilizarse. El propósito principal del remolino es permitir la extracción de fluido el cual se mejora con algas (u otros organismos acuáticos) que contienen un producto deseado. Un propósito secundario puede ser extraer componentes del fluido que necesitan removerse del medio, como mucílago o espuma que pueden consistir de bacterias nocivas. Existen numerosos usos potenciales para una densidad que separa el remolino, que corresponde a los diversos tipos de productos que pueden desarrollarse en un foto-biorreactor . Las algas de diferente especie y en diferentes circunstancias ambientales de etapas de vida pueden ser ya sea más pesadas o más ligeras que el medio fluido, dependiendo de su concentración de aceite, carbohidratos y vacuolas de gas, así como el medio de crecimiento que puede tener varias densidades dependiendo del contenido de sal y la temperatura. Los organismos acuáticos diferentes de las algas pueden también separarse del líquido mediante diferencias de densidad de esta manera. Como se muestra en la FIGURA 15A y FIGURA 15B, cuando el fluido sale del área de válvula de un compartimiento del tubo (marcada EN FLUJO) en la izquierda se amontona sobre una rampa colocada a la mitad de la posición de profundidad y se acelera consecuentemente por un factor de aproximadamente 2. El fluido puede rodearse entonces e impactarse contra un cono de aceleración y luego fluir sobre su borde y caer a través de un tubo de retención dentro del fondo de la cámara. La caída en el tubo de retención induce una acción de vórtice de remolino, con el fluido que gira más y más rápido cuando entra al orificio. Cuan rápido gira, y el grado de fuerza centrífuga que resulta del remolino es proporcional a la relación entre el área del orificio y el área en sección transversal de la bolsa así como la velocidad del rodillo y la relación de compresión del tubo. El propósito del tubo de retención es mantener las fuerzas de separación centrífugas siempre y cuando un tiempo de permanencia sea posible antes que el líquido deba contra-girar dentro de la cámara inferior. Ya que el agua cargada con sal o mineral pesado y las algas pesadas o floculadas se empujan hacia el exterior del remolino girante en el tubo de retención, las burbujas de gas, las algas de densidad inferior y los otros componentes de densidad baja migran al centro del remolino. Un tubo "de bebedero" puede colocarse en el centro del remolino (FIGURA 15B) opcionalmente con una abertura de diámetro variable, para recolectar los contenidos centrales del remolino los cuales pueden enriquecerse en un producto particular. El bebedero contra-gira la mezcla y se alimenta en un filtro de deshidratación de accionamiento de tornillo, o una centrifugadora continua de alta velocidad, o ambos, u otros dispositivos de extracción y deshidratación. El nutriente que contiene agua después de la remoción del producto puede filtrarse para remover fragmentos biológicos residuales que podrían respaldar el crecimiento bacteriano, luego esterilizarse con luz UV y regresar al biorreactor. El dispositivo de deshidratación puede transferir las algas condensadas u otro producto a una banda transportadora de recolección u otro aparato para recolectar las algas de muchos biorreactores dispuestos en una línea y a suministrar grandes cantidades a una instalación de procesamiento central para extracción de aceite. Las algas pueden dividirse en masas y caer a través del espacio cuando aterriza en la línea transportadora, o pueden canalizarse a través de válvulas unidireccionales biosépticas para evitar la posibilidad de que un organismo extraño en la línea transportadora entre al biorreactor y que cause una interrupción o "infección" del monocultivo propagándolo de un reactor a otro. En otra configuración, también mostrada en la FIGURA 15B, el bebedero puede consistir de perforaciones en el interior del tubo de retención para recolectar los componentes de densidad más elevada del fluido. Éstos, por ejemplo, pueden ser algas ricas tanto en aceite como en carbohidratos, en una proporción que hace al alga más pesada que el medio. Otro propósito del remolino puede ser servir como un mecanismo de inyección de 02 alternativo. Esto podría suceder en el fondo del remolino en donde el fluido se hace girar hacia fuera después de dejar el orificio control. Los gases como C02 puro, o alternativamente gases de combustión ricos en C02 obtenidos de una planta generadora de energía, fábrica u otra fuente, pueden ser un radio medio inyectado en el vórtice o justo debajo de la abertura de un tubo para bebedero central. En esta posición las burbujas impiden buscar el centro del vórtice debido a la restricción causada por el tubo para bebedero y el contraflujo descendente del agua. Incluso debido a que la fuerza de flotabilidad y flujo descendente se presentan al mismo tiempo, existe un tiempo de permanencia hasta que la burbuja se vuelve lo suficientemente grande desde su orificio de fuente. Su tamaño restringe y acelera el flujo de agua alrededor de ésta, de manera que las burbujas se desvían del orificio de generación de burbujas tan pequeñas que se transportan en el flujo más lento. En modalidades preferidas, mucho del gas se absorbe dentro del fluido antes de que las burbujas se combinen y se eleven a la parte superior del tubo. Puede ser posible para el biorreactor adquirir C02 directamente desde el aire ya sea burbujeando aire a través de inyectores de neopreno o por permeacion directa a través del forro superior del biorreactor. En algunas modalidades, en la parte superior dentro del tubo puede haber depositadas cavidades de 2.54 cm (1 pulgada) de diámetro de una mezcla de hidróxido de sodio, selladas detrás de un gas permeable, pero de membrana a prueba de agua, quizás compuestas de una membrana de poliestireno la cual se ha mostrado que es muy permeable a C02. Ya que las cavidades se exponen parcialmente a la atmósfera externa, éstas pueden absorber selectivamente el componente de C02 de aire. Entonces, cuando el rodillo pasa sobre las cavidades, éstas se comprimen físicamente por el rodillo de manera que la parte superior se sella y la presión parcial del C02 es más elevada que en el agua en el fondo de la membrana y ocurre la difusión de transmembrana rápida dentro del líquido. En esta construcción, la lámina superior se parece un poco a una envoltura de burbujas con las burbujas en la parte superior y se llena con una mezcla de hidróxido de sodio y tanto el fondo como la parte superior comprenden membranas permeables a C02. En una modalidad para adquisición de C02 directa, el forro superior del biorreactor se hace de un compuesto de tela de ¦•célula abierta como un componente resistente con los poros llenos con una sustancia permeable a C02 y absorbente. Esto puede ser microcápsulas de poliestireno de hidróxido de sodio. En la operación, las cápsulas podrían absorber C02 del aire y luego distribuir ya sea el C02 directamente al fluido a través de difusión pasiva o a través de difusión presurizada cuando el rodillo comprime las cápsulas en cada barrido . Un modelo ejemplar de un dispositivo de remolino se muestra en la FIGURA 13. El agua penetra a una cámara, tal como un primer alojamiento control, y encuentra una rampa de aceleración que acelera la velocidad del agua y mueve el agua a la parte superior de un cuello colocado a medio camino en la profundidad de fluido total. El agua además se acelera sobre el cono de aceleración y drena a través de un tubo de retención en donde ocurre naturalmente el remolino. El agua que sale del fondo del tubo de retención entra a la cámara debajo del cuello central y fluye hacia fuera a través de una rampa de desaceleración inclinada hacia arriba antes de salir del alojamiento control. El propósito de las rampas es cambiar gradualmente la velocidad del flujo de agua para evitar que el remolino interrumpa la turbulencia cuando fluye sobre la parte superior del cuello medio o desde debajo. Detalles del tubo de retención y el cono de aceleración se muestran en la FIGURA 14. Como se discute anteriormente, el agua que desciende a un nivel más bajo a través de un estrechamiento naturalmente forma un remolino, muy similar a un inodoro que se descarga. El tubo de retención, el cono de aceleración y las aletas del estator discutidas posteriormente se diseñan para facilitar la formación y para estabilizar el remolino en el centro del tubo de retención. La longitud del tubo de retención se diseña para incrementar el tiempo de permanencia en que la suspensión líquida está bajo fuerza centrípeta, maximizando la separación de diferentes componentes de densidad tales como las algas de producto lleno más ligero o más pesado y el medio acuoso. Las aletas del estator que rodean el tubo de retención proporcionan una fuerza de concentración que estabiliza la posición del remolino en el centro del tubo de retención. Esto puede ser importante debido a que el aparato de bebedero puede necesitar colocarse precisamente dentro del remolino para sorber únicamente una capa delgada de 0.318 cm (1/8 de pulgada) de agua a exceso de velocidad. Las aletas del estator del estabilizador actúan como un filtro de turbulencia alrededor del remolino. Debido a su ángulo, el desplazamiento de lado a lado en el alojamiento control se amortigua interrumpiendo la posición del vórtice, mientras el movimiento en espiral del agua entrante no se obstruye. Bajo condiciones experimentales, el dispositivo de remolino modelo mostrado en las FIGURAS 13-14 formó un remolino estable. La mecánica de fluido del dispositivo de remolino se ilustran en la FIGURA 15A. El agua que fluye dentro de la cámara encuentra una rampa y un cono de aceleración, centrado sobre un orificio que permiten que el fluido descienda a un nivel más bajo. Esto resulta en formación de remolinos. El remolino se estabiliza en posición por las aletas del estator que concentran el remolino. El fluido sale del fondo del remolino y encuentra una rampa de desaceleración antes de salir de la cámara, resultando en tasas de influjo y afluencia relativamente constantes a partir de la cámara. En ciertas modalidades (FIGURA 15B) , los tubos para bebedero y bombas pueden utilizarse para remover componentes de densidad baja (por ejemplo, algas llenas de aceite) o componentes de alta densidad (por ejemplo, algas llenas con carbohidratos) . Aunque el dispositivo de remolino ejemplar se ilustra con un flujo de fluido unidireccional, en modalidades alternativas las posiciones de las rampas de aceleración y desaceleración pueden ajustarse de manera que los remolinos pueden formarse con el fluido que fluye en cualquier dirección, como en el caso de un sistema de rodillo bidireccional . El propósito de la rampa y el cono de aceleración es minimizar la turbulencia cuando el fluido se acelera para entrar dentro del remolino, en donde además se acelera en su movimiento en espiral para proporcionar fuerza centrípeta. Se estima que el aparato mostrado en las FIGURAS 13-15 podría únicamente disipar 50 watts de potencia a partir de la turbulencia en un sistema a gran escala capaz de suministrar 90 galones/segundos a través del remolino. Varias alternativas existen para separar algas del medio, como se discute anteriormente, y cualesquiera métodos conocidos pueden utilizarse.

Ejemplo 6. Incorporación de C02 En ciertas modalidades, los gases de escape que se enriquecen con C02 pueden utilizarse para mantener la fijación fotosintética del carbono, mientras se depuran simultáneamente los gases de escape de su contenido de C02 para evitar la acumulación adicional de gases de invernadero. De este modo, enormes cantidades de por ejemplo, gases de combustión de plantas generadoras de energía pueden "extraerse" para su C02 y el gas resultante entubarse a la granja de algas. La FIGURA 12A y FIGURA 12B ilustra una modalidad ejemplar de un mecanismo para disolución de C02. La Figura muestra un generador de burbujas, por ejemplo, una membrana de neopreno perforada con una multiplicidad de pequeños orificios, ubicada en el fondo de una columna de agua. La cámara de burbujas genera un gran número de burbujas de muy pequeño diámetro para promover la disolución del gas C02 en el medio. Mientras las burbujas se desplazan hacia arriba debido a la densidad flotable, la columna de agua se desplaza hacia abajo debido al flujo direccional inducido por los rodillos u otros mecanismos de transporte de fluido. El contraflujo prolonga el tiempo de permanencia de las burbujas en el medio y maximiza la disolución de gas. La longitud de la columna de agua puede incrementarse para promover además disolución de gas. En un sistema de flujo de bidirección ejemplar, como se discute posteriormente, en donde el fluido se mueve alternadamente en direcciones opuestas, dos cámaras de burbujas de gas ubicados en cualquier lado de una división central pueden utilizarse de manera que el mecanismo de contraflujo pueda utilizarse con cualquier dirección o movimiento de fluido (FIGURA 12A, FIGURA 12B) . En esta configuración, el gas de combustión que contiene C02 puede entubarse por millas a partir de una planta generadora de energía a la granja del biorreactor. El modelo matemático de este proceso indica que podría ser un proceso eficiente con suficiente energía para entubar C02 al biorreactor y para remover C02 desde el gas de combustión en el biorreactor. En los casos en que se utilicen tubos flexibles largos, puede ser óptimo proporcionar un mecanismo de inyección de C02 suplemental en ambos extremos del tubo. Se estima que los organismos acuáticos que fluyen a 0.25 metros/ segundos requerirían C02 adicional aproximadamente cada 7 minutos (105 metros) . El C02 suplemental podría proporcionarse en una variedad de formas, tales como burbujas de gas, agua pre-saturada con C02, adición de formas sólidas de C02 (por ejemplo, NaHC03, Na2C03, etc.) Ejemplo 7. Impulsión de Rodillos La FIGURA 24 muestra un sistema de impulsión de rodillo preferido. Los rodillos pueden ser tubos delgados y ligeros, por ejemplo de fibra de vidrio y de construcción de fibra. Alternativamente, los rodillos pueden ser de acero inoxidable u otros cilindros pesados. En cualquier caso deben ser lo suficientemente pesados para compensar el volumen del agua que se desplaza bajo estos. En la mayoría de los casos, esto se logrará al fabricar un rodillo ligero, delgado que pueda fabricarse y transportarse de un modo barato y luego llenarlo con suficiente agua, arena u otro material que le dé el peso apropiado después de la instalación. Los rodillos pueden comprender un eje sólido entre dos ensambles de rodillo de soporte. En una versión preferida, los rodillos se conducen ya sea independientemente en cada lado o existe un mecanismo diferencial de impulsión entre ellos. Esto se debe a que a que la perpendicularidad del rodillo a la dirección de impulsión es crítica para evitar congestionamiento o arrugamiento de los ensambles de bolsa. Los sensores pueden detectar cuando un lado de un rodillo avanza desde el otro o cuando la trayectoria transversal se está colocando en las bolsas y ajusta la fase de impulsión de un lado al otro de manera que los rodillos se desplazan suavemente sobre las bolsas sin causar daño o incurrir en fricción en exceso. El diseño cinemático del sistema de carro del rodillo en la FIGURA 25 le permite compensar grandes desalineaciones y cambios de temperatura. Los rodillos de 3.048 a 6.096 metros (diez a veinte pies) de largo deben conducirse exactamente, contra una peculiaridad de ondas reflejadas, desalineaciones, diferencias de temperatura y fricción variable con el fin de evitar la bifurcación del rodillo y el arrugamiento diagonal del tubo. En ciertas modalidades, los rodillos pueden pesar miles de libras y pueden moverse a lo largo de una ruta que puede ser de 91.44 metros (300 pies) o más de longitud. El sistema ejemplar mostrado en la FIGURA 25 utiliza un sistema de cable de acero de impulsión, el cual es de bajo costo y tiene inercia de unidad motriz baja debido a que el cable transmite fuerza a través de resistencia a la tensión, lo cual es muy eficiente en masa. En esta modalidad, los servomotores de velocidad de ancho de banda elevada, anidados se utilizan para conducir las poleas de impulsión y mantener que los rodillos se bifurquen . El comando de velocidad del servomotor maestro superior se deriva del controlador determinando la diferencia en donde está el rodillo y donde debe estar. Al limitar el primer y segundo derivados del comando de velocidad resultante, las bolsas del biorreactor llenadas con agua inestable se agitan mínimamente. El aislamiento de acción de onda a partir de cualquier fuente no se aumenta y no induce señales de retroalimentación desfasadas debido a la conformidad de la unidad impulsora, debido a que los sensores de retroalimentación de velocidad que se unen directamente a los motores de impulsión se aislan de elementos compatibles. El servomotor inferior se dirige para equiparar la misma velocidad como el servomotor principal superior, pero con velocidad mejorada que sigue debido a la red de retroalimentación positiva principal dV/dt en su comando. Este comando de servo velocidad se añade y se ajusta por las salidas de sensor de tensión de inclinación en el sistema de carro cinemático. Esto conduce activamente el rodillo a una alineación angular precisa con referencia al riel de alineación. El ángulo exacto de inclinación puede ajustarse por el controlador para compensar los efectos directamente únicos del rodillo o para liberar la formación de arrugas detectadas en los biorreactores . El controlador puede también utilizar la diferencia de presión hidrostática del rodillo de proa a popa por los sensores de nivel de película (tubo biorreactor) para controlar la velocidad del rodillo con el fin de mantener una altura de presión específica. La batería o inclinación de potencia solar y los sensores de nivel con salida de telemetría de RF no requieren cables de energía para engancharse al rodillo. El sistema de carro es de diseño mecánico cinemático. Esto proporciona que cambios en el ancho entre los rieles del rodillo o cambios de longitud del rodillo debido a la expansión no se unan al sistema de carro. Esto significa también que la perpendicularidad del rodillo se restringe por solamente un extremo de carro y por lo tanto puede medirse exactamente por sensores en ese extremo y el resultado utilizado para controlar diferencialmente la velocidad de sistemas de impulsión en cada extremo de manera que pone en cero la inclinación acumulada.

Ejemplo 8. Recubrimientos del Tubo La tecnología para evitar o retardar la bioincrustación de las capas de plástico internas por la adhesión de algas es importante. Esto se debe porque si las bolsas necesitan reemplazarse a menudo, entonces se vuelven un egreso económico en la operación. Existe un número de enfoques para evitar el bioincrustación bajo desarrollo en el mundo aunque las superficies hidrofóbicas nano texturizadas que son muy puntiagudas en una escala nano son una posibilidad. (Véase www.awibremerhaven.de/TT/antifouling/index-e.html). Un modo para realizar una superficie interna sin incrustación para los biorreactores a costo muy bajo es utilizar tecnología de floculación para incrustar electrostáticamente los extremos de las fibras de polietileno que son de aproximadamente 1-2 mieras de diámetro por 10-20 mieras de largo en la película de "burbuja" de soplado de plástico de polietileno, a pesar de esto de enfriamiento, suave justo cuando deja la boquilla anular de película de soplado (Véase por ejemplo, www . bpf . co . uk/bpfindustry/process_plastics_blown_film. cfm para entender el proceso de película de soplado. Véase por ejemplo, www.swicofil.com/flock.html para detalles con respecto a la floculación) . Un ejemplo no limitante de un sustrato con base en un floculante se ilustra en la FIGURA 5. Alternativamente, un recubrimiento adhesivo pegajoso o curable puede aplicarse al interior del tubo o a un lado de una lámina de película plástica utilizada para la construcción del tubo antes de la floculación de las fibras y la exposición a gas flúor. La superficie floculada interna en el interior de la burbuja puede hacerse hidrofóbica al tener el interior de la burbuja presurizada con gas flúor (en lugar de aire) el cual reacciona con el polietileno para crear un forro delgado de polifluoroetileno hidrofóbico (el cual es similar al politetrafluoroetileno, PTFE) tanto en la superficie de la fibra floculada así como la película plástica entre las bases de la fibra. En ciertas modalidades, la bolsa puede hacerse completamente negra en al menos un lado de los dos sistemas de bolsa. Cuando las algas entran a la oscuridad, consumen oxígeno y cuando están en la luz producen oxígeno. Puede haber una ventaja de productividad de aceite si incluso durante el día la mezcla de algas se canaliza alternativamente a través de luz y a través de oscuridad en algún ciclo de trabajo seleccionable de manera que consume algo del oxígeno disuelto en el fluido y estimula las reacciones de fotosíntesis que convierten energía. En varias modalidades, la superficie superior del tubo puede modelarse para maximizar la absorción de luz para fotosíntesis durante los meses invernales, particularmente en latitudes más elevadas. Un modelo Frenel ejemplar se muestra en la FIGURA 29, el cual ilustra una sección transversal de la capa superior del tubo, con prismas de recolección de luz Frenel que se orientan de este a oeste con la cara angulada orientada hacia el ecuador. El espesor total es 0.064 cm (0.025 pulgadas) y el modelo Frenel se crea durante el proceso de soplado de plástico o durante un proceso de post enrollamiento. Cualquier cosa que entre a los biorreactores es de preferencia estéril excepto para el cultivo de semillas deseado del microorganismo. Con el fin de hacer esto muy barato en una base industrial se puede utilizar una autoclave de flujo continuo (FIGURA 6) . Esto puede hacerse no únicamente para los nutrientes sino también para cualquier líquido regresado a los biorreactores . Gases como aire que entran a los biorreactores pueden ser gases filtrados y de chimenea HEPA que pueden asumirse para ser estériles a partir del calor de la planta generadora de energía. Fluidos de regreso los cuales son óptimamente claros pueden esterilizarse utilizando tecnología de luz UV.

Ejemplo 9. Extracción de Aceite Un método y aparato ejemplar para la extracción de aceite y/o centrifugación se ilustra en la FIGURA 7. Las algas pueden extraerse y su producto oleoso removerse sin tratamiento químico complejo. La forma más simple para algas grandes es triturar las algas y separar en forma central los componentes dentro del aceite, los cuerpos de algas triturados para alimentación o nutriente, y agua cargada de nutrientes. Sin embargo, las algas se escurren y pueden ser difíciles de triturar por medios estándares. La FIGURA 7 muestra un ejemplo no limitante de trituración de algas y extracción de aceite. Los dos rodillos pueden hacerse de diferentes materiales. Uno puede ser un rodillo esmerilado de metal endurecido similar a un rodillo de máquina impresora. El otro puede ser un rodillo metálico exacto con un recubrimiento ahulado acomodable de aproximadamente 0.25 mm de espesor. El recubrimiento forma pequeñas imperfecciones en las superficies del rodillo, permite pasar a pequeños granos de arena, proporciona aún suficiente presión localizada para separar cuerpos de algas. Métodos de cosecha alternativos pueden utilizar varias versiones de tecnología de tamiz giratoria y de vibración para remover los organismos más grandes. Existen muchas máquinas utilizadas para este propósito en la industria de manejo de abono y pueden adaptarse por la miniaturización y son económicos de manera que cada biorreactor tiene una. Esto es útil debido a que cualquier cosa sumergida en un biorreactor no debe sumergirse en otro con el fin de evitar la infección por dispersión potencialmente . De forma ideal, cuando el alga se cosecha por un mecanismo unido a cada reactor individual, entonces el agua resultante puede filtrarse del material orgánico residual y luego inyectarse directamente de nuevo en el mismo reactor sin re-esterilización.

Ejemplo 10. Percepción Remota Un ejemplo de un biorreactor de percepción remota para optimización de condición y selección de cepa de algas se muestra en la FIGURA 8. El sistema utiliza sensores en pseudorreactores remotos que responden operablemente a condiciones ambientales locales en una variedad de ubicaciones geográficas en donde los biorreactores pueden instalarse. Los pseudorreactores son pequeños dispositivos similares a biorreactores que contienen un fluido inerte con absorción de IR y capacidades de absorción de luz similares a un cultivo de algas denso. Los sensores detectan las temperaturas resultantes que los pseudorreactores son capaces para estabilizar así como la luz fotosintética que cae sobre ellos. Las estaciones de percepción remota pueden utilizarse para conducir la temperatura y las condiciones de luz de pequeños reactores experimentales en laboratorios de biotecnología de manera que los ambientes remotos pueden duplicarse en el laboratorio para selección de cepas conveniente. El dispositivo de ensayo ambiental remoto se diseña para imitar la respuesta de un biorreactor in situ. Esto es más exacto que un sistema único de sensor ya que el dispositivo de ensayo ambiental se expone a todos los factores variables ambientales que podrían afectar la función del biorreactor y la entrada se reduce a una exposición de luz equivalente y temperatura de fluido para el biorreactor pseudo-ambiental . En otra modalidad con base únicamente en el sensor, ejemplar, una o más estaciones de monitoreo ambiental pueden localizarse para monitorear condiciones ambientales, tales como temperatura, conductividad térmica de suelo, capacidad térmica del suelo, humedad, precipitación, irradiación sola, velocidad del viento, etc. Las condiciones detectadas pueden transmitirse a un aparato biorreactor de prueba con base en laboratorio, en donde las condiciones ambientales del sitio de prueba pueden replicarse en un ambiente controlado.

En cualquier modalidad, varias cepas de organismos acuáticos (por ejemplo, algas) pueden inocularse dentro del aparato biorreactor de prueba y se puede monitorear su crecimiento y productividad. Las cepas seleccionadas para crecimiento y/o productividad óptima en cualquier ubicación de producción deseada pueden determinarse en gastos mínimos y máxima eficacia.

Ejemplo 11. Cultivo de Algas en un Sistema Biorreactor Modelo Un biorreactor de sistema cerrado modelo a 1/5 de escala se construyó como se muestra en la FIGURA 18. Los tubos flexibles del biorreactor no se muestran para claridad, sino que radican entre los dos conjuntos de contrarrieles y son de la misma altura. En el lado izquierdo inferior está el alojamiento de inyección de C02 y en el lado derecho superior está el alojamiento cosechador. Los tubos flexibles se construyeron como se muestra en las dos imágenes superiores de la FIGURA 24 a partir de las dos capas de polietileno de 0.025 cm (0.01 pulgadas) de espesor, con una capa de ensamble de barrera térmica de polietileno de 1.27 centímetros (0.5 pulgadas) de espesor (Sealed Air Corp., Emwood Park, NJ) insertadas. Las tres capas se sellaron juntas por enlace de impulso térmico, utilizando una varilla metálica corta y aplicando presión mecánica. Sin embargo, el técnico experimentado está consciente que otras alternativas para láminas plásticas térmicamente selladas, tales como sellado con aire caliente pueden utilizarse. Para evitar el encogimiento, pueden incrustarse fibras de estabilización en o unirse a la lámina de plástico de manera que la geometría del tubo no se deforme por sellado con aire caliente. Aunque no se muestra en la FIGURA 24, los tubos se construyeron con inductores de vórtice axiales sobre y debajo de la barrera térmica como se describe anteriormente. Los tubos terminados fueron cada uno de 1.25 metros (4.1 pies) de ancho y 18.28 metros (60 pies) de longitud y se llenaron con agua a una profundidad de 30.48 cm (12 pulgadas) . El medio de crecimiento fue una versión modificada de un medio Guillard f/2 (Guillará, 1960, J. Protozool. 7:262-68; Guillará, 1975, In Smith aná Chanley, Eás . Culture of Marine Invertegrate Animáis, Plenum Press, New York; Guillará aná Ryther, 1962, Can. J. Microbiol . 8:229-39), que contiene 22 g/1 de NaCl , 16 g/1 Quarium Synthetic Sea Salt (Instant Ocean Aquarium Salt, Aquarium Systems Inc., Mentor, OH), 420 mg/1 de NaN03, 20 mg/1 de NaH2P04H20, 4.36 mg/1 áe Na2EDTA, 3.15 mg/1 áe FeCl36H20, 180 pg/l áe MnCl24H20, 22 pg/l áe ZnS047H20, 10 pg/l áe CuS045H20, 10 pg/l áe CoCl26H20, 6.3 10 pg/l áe Na2Mo042H20, 100 pg/l áe tiamina-HCl, 0.5 pg/l áe biotina y 0.5 pg/l áe vitamina B12. Un cultivo alimentador de Dunaliella tertiolecta (obtenido de la Universidad de Texas, Dr. Jerry Brand) se inoculó en el medio y las algas se permitieron desarrollar y reproducir bajo luz y temperatura ambiental. La FIGURA 8 ilustra una modalidad ejemplar de un biorreactor de sistema cerrado. En este caso, el sistema incorpora dos bolsas, cada una con un rodillo separador. La cámara en la parte derecha superior de la FIGURA 18 contiene el dispositivo de vórtice, mientras que la cámara en la parte izquierda inferior contiene la cámara de burbujas de C02. Cada rodillo rueda de acá para allá y cruza un tubo flexible de tres capas sencillo (bolsa) , invirtiendo la dirección en el extremo del tubo. De este modo, el agua fluye periódicamente inversa en dirección alrededor del sistema cerrado. La FIGURA 19 muestra detalles adicionales del carro del rodillo y el sistema de soporte. Los rodillos, los cuales fueron rodillos de plástico de calibre pesado en esta modalidad, se montaron entre carros de rodamiento que ruedan en rieles de rodamiento de la pared lateral (véase FIGURA 26) , los cuales sirven para respaldar los carros y rodillos y para mantenerlos en una altura constante sobre el nivel del suelo a lo largo de la longitud completa del tubo. Los rieles de rodamiento de pared lateral también proporcionan soporte físico para los lados de los tubos flexibles, lo cual puede tender de otro modo a más cepas cuando se abultan fuera. Son capaces además de contener aislamiento térmico para aislar los tubos flexibles desde los lados. Los soportes se hicieron de una hoja metálica doblada triangular de 30.48 cm (12 pulgadas) de altura con una doblez de 7.62 cm (3 pulgadas) por 5.08 cm (2 pulgadas) que se asientan bajo el borde de la bolsa y se aloja en la tierra. En otra modalidad ejemplar para un biorreactor a gran escala, una pared lateral de concreto es de 91.44 cm (26 pulgadas) y 10.16 cm (4 pulgadas) de ancho con 50.8 cm (20 pulgadas) de la pared enterrada bajo la tierra para estabilidad de volcadura y 2 hebras de barra de refuerzo o cable de acero pre- tensado que corre en la parte superior 63.5 cm (25 pulgadas) sobre la longitud completa para permitir capacidad de portación de carga dinámica cuando pasan los rodillos. Detalles adicionales del aparato biorreactor cerrado ejemplar se ilustran en la FIGURA 20, la cual muestra la cámara en el extremo de los tubos que contiene el dispositivo de remolino asentado en un orificio de abertura cuadrado en el cuello central. La FIGURA 20 también muestra en donde los tubos conectan las cámaras extremas a través de un sistema de brida y de empaque, discutida en detalle además posteriormente. La cámara que contiene el dispositivo de remolino también contiene los accionadores para desviar líquido sobre o debajo de la barrera térmica, discutidos en más detalle posteriormente. Las válvulas de claveta accionadas comprenden las rampas de aceleración y desaceleración, los extremos los cuales se unen también a accionadores para reposición de las rampas cuando se invierte la dirección de movimiento de fluido. (En la configuración opuesta la rampa de aceleración se vuelve una rampa de desaceleración y viceversa) . El biorreactor de sistema cerrado ejemplar que se construyó utiliza un diseño de rodillo como se ilustra en la FIGURA 21. Esta modalidad permitió la inversión de la dirección del rodillo y no requirió un mecanismo para levantar el rodillo sobre los alojamientos en los extremos de los tubos. El rodillo se sostuvo en una altura constante en los rieles de rodadura de pared lateral, como se discute anteriormente. Aunque el suelo u otra superficie estuvieran planos y el nivel para casi toda la longitud del riel completo, en los dos extremos inmediatamente adyacentes a las cámaras hubo un pequeño valle atrincherado que recorre el ancho del riel. Este foso se revistió con un "protector de bajos" metálico (FIGURA 22) el cual sirve para definir la forma del foso y para evitar que entre tierra al área del tubo de desviación. El foso y el protector de bajos se diseñaron para permitir al medio fluido en los tubos fluir bajo el nivel del rodillo. Debido a la presión hidrostática, los tubos flexibles se conforman al nivel del suelo y la superficie del protector de bajos. Cuando los rodillos alcanzaron los extremos del riel, el movimiento del rodillo se detuvo por el sistema de impulsión. El medio líquido se permitió fluir bajo los rodillos en las cámaras sin resistencia a partir del rodillo, el cual se elevó sobre el flujo de líquido. Este flujo continuo puede deberse al momento inerte o deberse al movimiento del rodillo opuesto. Debido a las fuerzas fricciónales contra la barrera térmica, los lados de los tubos y componentes de las cámaras, se redujo el fluido y finalmente se detuvo. Cuando el flujo de fluido hubo alcanzado una velocidad suficientemente baja, la impulsión de rodillos se activó de nuevo y el rodillo se movió en la dirección opuesta. Cuando el primer rodillo se detuvo sobre el área del foso, el segundo rodillo activó el fluido en el tubo de nuevo y lo empujó en la dirección opuesta, invirtiendo el flujo de algas a través del sistema. La FIGURA 21 también muestra los accionadores para desviar agua sobre o debajo de la barrera térmica. Como se muestra, el extremo de la barrera térmica formó un compartimiento rígido que se unió a un par de accionadores. Cuando los accionadores están en la posición superior, un compartimiento desvío agua debajo de la barrera térmica y la barrera flotó a la parte superior del tubo. Cuando el accionador estuvo en la posición inferior, el fluido se desvío sobre la barrera térmica, el cual luego se asentó en el fondo del tubo.

Ejemplo 12. Dispositivo de Remolino y Sello Inflable La FIGURA 23 muestra el detalle adicional del dispositivo de remolino, ubicado en la cámara o alojamiento en un extremo de los tubos flexibles. El agua entra en el lado derecho de esta figura, a través de un sello de bolsa que une el tubo a la cámara. Un compartimiento de barrera térmica y el accionador unido se muestran también en el lado derecho, con un compartimiento en la posición media para claridad. En la operación actual, un compartimiento estaría normalmente ya sea arriba o abajo. En la izquierda del sello de bolsa y el accionador de compartimiento, el agua que entra a la cámara encuentra una rampa de aceleración, la cual se une a un accionador separado. Ese accionador puede situar alternativamente la rampa unida ya sea arriba o abajo. Cuando la rampa está abajo, el agua que entra desde el lado derecho encuentra la rampa. El agua se restringe lateralmente en un lado por lado de la cámara y por el otro por una división central que separa las rampas de aceleración y desaceleración. El agua entra a una velocidad constante que se determina por el movimiento del tubo de rodillos. Cuando encuentra la rampa ascendente, la altura de la columna de agua se reduce de aproximadamente 30.48 cm (12 pulgadas) a un nivel más bajo, determinado por el ángulo de la rampa y la velocidad del agua. Debido a que el ancho de la columna del agua sigue siendo el mismo y la altura se disminuye, el flujo de agua debe incrementarse en una velocidad cuando se mueve encima de la rampa, con el fin de mantener un flujo constante de agua por tiempo unitario. El agua acelerada encuentra el dispositivo de remolino, el cual se forma en general como se muestra en las FIGURAS 13-15. El bombeo de agua a través de un orificio central en el dispositivo de remolino forma un vórtice, resultando en una concentración de algas llenas con lípidos en el centro del vórtice y la separación de componentes más pesados de la suspensión en el exterior del vórtice. Sin embargo, algunas composiciones de algas pueden hacer al alga más pesada que el fluido en cuyo caso las algas se removerán a partir de orificios situados alrededor de la periferia de los tubos de reposo como se muestra en la FIGURA 15B. El agua que viaja por debajo a través del orificio central encuentra una rampa de desaceleración en el otro lado de la cámara desde la rampa de aceleración. El agua reduce la velocidad, entra al segundo tubo flexible y sale de la cámara. La FIGURA 24 muestra un ensamble de bolsa ejemplar y un mecanismo de sellado. La bolsa (tubo) puede construirse, por ejemplo, de capas superior e inferior de un material plástico esencialmente transparente, de resistencia elevada, delgado, tal como polietileno de 0.025 cm (0.01 pulgadas) de espesor. La barrera térmica puede ser de 1.27 cm (0.5 pulgadas) o de espuma de poliuretano de densidad baja de 2.54 cm (1 pulgada de espesor) (por ejemplo, polietileno espumado) , en este ejemplo con un frente delgado (por ejemplo, 0.009 cm (0.0035 pulgadas)) para disminuir la adhesión de algas a la barrera térmica. La barrera térmica puede unirse a tiras laterales más delgadas, las cuales pueden unirse por cuentas adhesivas térmicas o por soldadura plástica. Los lados de las tres capas se unen térmicamente para crear un tubo. La bolsa (tubo) puede estirarse sobre un bastidor de inserción de sellado rígido dentro del extremo de la bolsa como se muestra en los dibujos de la FIGURA 24. En sistemas a gran escala, el bastidor puede ser de aproximadamente 6.096 metros (20 pies) de ancho por 30.48 cm (12 pulgadas) de alto y aproximadamente 15.24 cm (6 pulgadas) de profundidad axialmente y pueden endurecerse por columnas verticales periódicas a lo largo de sus 6.096 metros (20 pies) de ancho. Un compuesto endurecido o compartimiento metálico resistente a la corrosión y su alineamiento y mecanismo de translación pueden incorporarse en el bastidor. El bastidor y el extremo del tubo que se estiran sobre el bastidor se insertan dentro de un sello presurizado anular que reviste el interior de un orificio de 30.48 cm (12 pulgadas) por 6.096 metros (20 pies) en la cámara. Una vez que el bastidor y la bolsa se insertan en la cámara, el sello se infla, presionando hacia adentro contra y alrededor del bastidor de sellado y manteniendo la bolsa y el bastidor seguros sobre la cámara. El sello presurizado puede tener tubos de sello de presión creciente redundantes, cada uno mantenido por un compresor de aire separado y un sensor de alarma de fuga de presión. Una barra del compartimiento puede unirse al compartimiento y luego conectarse a los accionadores . El compartimiento instalado puede conducirse hacia arriba o hacia abajo por una conexión de 4 barras conducida por 2 accionadores electro-hidráulicos de retroalimentación de posición conectados por alambres al controlador del sistema. Muchos otros sistemas accionadores incluyendo accionadores lineales neumáticos comunes tales como aquellos usados en el modelo ejemplar del Ejemplo 1 son adecuados para mover un compartimiento hacia arriba y hacia abajo.

Ejemplo 13. Producción de Biodiesel a partir de Algas Las algas se cultivan para madurar de acuerdo con el Ejemplo 11 y se recolectan por su contenido de aceite. Un dispositivo de remolino como se describe en el Ejemplo 12 se utiliza para separar parcialmente algas del medio. Las paredes celulares del alga se interrumpen por el paso a través de un dispositivo mecánico de esfuerzo cortante elevado. El aceite se separa de los otros contenidos de algas por centrifugación en una centrifugadora a escala comercial. El aceite se convierte en biodiesel por transesterificación catalizada alcalina de acuerdo con el proceso Connemann. La cantidad de biodiesel producido a partir de un biorreactor incorporando dos tubos biorreactores de 6.096 metros x 91.44 metros (20 pies x 300 pies) es 2,800 galones (10,599.154 litros) por año.

Ejemplo 14. Controlador Biorreactor En algunas modalidades, todos los aspectos de la función del biorreactor pueden controlarse por una unidad de procesamiento central, por ejemplo, un controlador de computadora. El controlador puede acoplarse operablemente a varios sensores y accionadores en el biorreactor. La computadora puede integrar todas las funciones de operación del biorreactor, tales como movimiento y alineación del rodillo, flujo de fluido, operación del remolino, cosecha de algas, entrada de nutrientes y fluido en el aparato, remoción de gas e inyección de C02. La computadora puede operar en un programa de percepción y control tal como LabView hecho por Nacional Instruments Corporation y puede utilizar tarjetas de interfaz y circuitos bien conocidos en la técnica para conectarse con los sensores y accionadores del sistema biorreactor. Un ciclo de operación ejemplar se ilustra en la FIGURA 27. La discusión se refiere a obtener direcciones para claridad, sin embargo, el técnico experimentado se dará cuenta que el aparato en uso actual puede alinearse en una variedad de direcciones, dependiendo de la geografía local, inclinación solar, temperatura, etc. Como se ilustra en la FIGURA 27, los Rodillos H e I se colocan inicialmente sobre sus protectores de bajos en los extremos de los tubos. La válvula J de claveta está en la posición superior de manera que el agua que se extrae del sur se origina del cuello inferior del dispositivo de remolino y la válvula K de claveta está en la posición inferior de manera que el agua que viene del norte se canaliza hacia arriba sobre el cuello superior del dispositivo de remolino. El ciclo comienza como se muestra en la FIGURA 28A con el rodillo H que se dirige por el controlador que empieza moviendo del Sur a una velocidad constante de 1 pie/segundo. Cuando se mueve, la presión se acumula en el tubo R delante del rodillo H y el medio de crecimiento de algas (agua) que empieza a moverse del sur, hacia el oeste a través del alojamiento B de C02 , luego de norte al tubo S, deslizándose bajo el rodillo I estacionario a través del canal de protector de bajos. Cuando el agua fluye hacia arriba de la válvula K de claveta sobre el cuello superior de A, ésta comienza a arremolinarse a través del remolino N al cuello inferior y se expande a través de la válvula J de claveta para comenzar a rellenarse detrás del rodillo H. La FIGURA 28B muestra el rodillo H que tiene un tubo R completamente atravesado y que tiene que hacer una parada en el alojamiento de remolino. Ya que ambos rodillos se colocan sobre los protectores de bajos, el líquido está libre para continuar moviéndose por inercia en la dirección mostrada. Sin retraso, el rodillo I hace que comience a moverse del norte por el controlador como se muestra en la FIGURA 28C. Éste continúa el flujo en el sentido de las manecillas del reloj del líquido a través del remolino y de nuevo a través del alojamiento de C02 cuando se desliza bajo el rodillo H a través del canal creado por el protector de bajos. Cuando el rodillo I finalmente alcanza el alojamiento de remolino, todo el movimiento se detiene excepto para el medio fluido que continua moviéndose en el sentido de las manecillas del reloj a través de un momento almacenado hasta que la fricción reduce el movimiento del agua a casi cero. En este punto, la dirección de circulación del fluido se invierte. Primero la claveta J se coloca en la posición hacia abajo de manera que el flujo de agua en contra de las manecillas del reloj se dirige primero sobre el cuello superior y la claveta K en la posición superior de manera que el agua que sale del cuello inferior se expanda dentro de la altura total del tubo biorreactor. El rodillo I comienza a moverse desde el sur bajo el control de la computadora, empujando agua hacia delante para comenzar un movimiento de fluido en contra de las manecillas del reloj . Después que llega a descansar en el extremo del tubo S, el rodillo H comienza inmediatamente a moverse desde el norte, para mantener la presión delante del remolino y el movimiento de flujo total. Durante un tiempo corto después que el rodillo H llega a descansar en el extremo del tubo R, el fluido mantiene el movimiento bajo su propio momento hasta que la fricción se desacelera a velocidad de casi cero. Una vez que se logra esto, el controlador comanda la secuencia de movimiento en el sentido de las manecillas del reloj mostrada en la FIGURA 28A, FIGURA 28B, FIGURA 28C, FIGURA 28D para comenzar de nuevo en un movimiento recíproco constante. Este movimiento además tiene las ventajas de ser barato para implemento sin tener que levantar los rodillos pesados fuera del agua durante el reacondicionamiento y debido a que la inversión de flujo es menos probable de dejar puntos no agitados en el biorreactor en donde las algas pueden asentarse. Los inyectores de C02 pueden controlarse de manera que solamente el inyector de burbujas que experimenta flujo de agua a contra-corriente se acciona para tomar ventaja del tiempo de permanencia incrementado de la burbuja y la absorción de C02 incrementada simultánea (véase la FIGURA 12) . La cantidad de C02 inyectado no se limita y se anticipa que la inyección de C02 será intermitente, como se determina por pH medio y otros indicadores . Las válvulas de compartimiento para el tubo S son E y F. Las válvulas de compartimiento para el tubo R son C y D. Cada compartimiento de tubo puede controlarse independientemente del otro compartimiento de tubo pero cada uno debe coordinarse con su movimiento de rodillo. Antes de que cualquier rodillo deje su posición de descanso el controlador debe determinar si su compartimiento asociado debe colocarse en la posición hacia arriba o hacia abajo. Si se decide que un compartimiento esté en la posición hacia arriba, la válvula de compartimiento en la posición de inicio del rodillo debe estar en la posición hacia arriba de manera que el agua se extrae bajo un compartimiento durante el desplazamiento del rodillo. La válvula de compartimiento en el otro extremo del tubo puede estar en cualquier posición durante el desplazamiento del rodillo siempre y cuando la válvula de compartimiento que sella el método permita expulsar agua del interior del tubo independientemente de la posición. Cuando el rodillo se ha detenido sin embargo, la válvula de compartimiento en el otro extremo debe fijarse dentro de la posición superior. Cuando se desea que un compartimiento esté en la posición hacia abajo, la válvula de compartimiento en la posición de inicio de rodillo debe estar en la posición hacia abajo de manera que el agua se extrae sobre la parte superior del compartimiento por el movimiento del rodillo. La válvula de compartimiento en el otro extremo del tubo puede estar en cualquier posición siempre y cuando se diseñe para permitir la expulsión sin impedimentos del agua desde la cámara de tubo superior o inferior. Cuando el rodillo se detiene sin embargo, el compartimiento debe fijarse dentro de la posición hacia abajo de manera que no se permita que el agua se escurra bajo un compartimiento lo cual permitiría flotar a la parte superior. "O" es un sensor de temperatura de fluido se interconecta con la computadora, el cual compara la temperatura detectada con un punto determinado de temperatura deseada para las algas. Dependiendo del clima y el tiempo de las condiciones diarias, la computadora decide colocar los compartimentos térmicos en la posición hacia arriba y hacia abajo y coordina las acciones de las válvulas de compartimiento con el movimiento del rodillo consiguientemente. En algunos casos, un sensor puede construirse para determinar si el fluido ganará o perderá calor a la temperatura y ambiente radiante. Tal sensor se construiría canalizando una pequeña cantidad de fluido (aproximadamente 0.1 galón por minuto) a través de una bolsa de plástico de aproximadamente 0.914 metros (3 pies cuadrados) por 7.62 cm (3 pulgadas) de profundidad que está asentando sobre el suelo sustancialmente a la misma temperatura cuando se asientan en el suelo los biorreactores principales. Los sensores de temperatura diferencial con una resolución de -17.767°C (0.02 grados F) mide la temperatura tanto de la entrada como la salida de la bolsa del sensor. Si la temperatura se calcula para estar aumentando cuando el fluido pasa a través de la bolsa entonces la computadora coloca los compartimentos para exponer el fluido al ambiente si el fluido es muy frío en las bolsas o para aislar las bolsas del ambiente si el fluido es muy caliente. La lógica inversa se aplicaría si la bolsa del sensor indicara que la exposición ambiental enfriaría el fluido. "P" es un sensor de pH y se interconecta con la computadora. El valor del pH de fluido se compara con un punto determinado de pH que es indicativo de la concentración apropiada de C02 disuelto en el agua para respaldar el crecimiento o cosecha óptima. Cuando el pH es muy elevado la computadora abre las válvulas a la cámara de burbujas de C02 apropiada para permitir C02 puro o gas de combustión que contiene C02 para burbujear a través del agua haciéndolo más ácido con la formación de ácido carbónico y disminuyendo el pH. Todas las COMPOSICIONES, APARATOS, SISTEMAS y MÉTODOS descritos y reclamados en la presente pueden hacerse y ejecutarse sin experimentación indebida en vista de la presente descripción. Aunque las composiciones y métodos se han descrito en términos de modalidades preferidas, es aparente para aquellos con experiencia en la técnica que pueden aplicarse variaciones a las COMPOSICIONES, APARATOS, SISTEMAS y MÉTODOS y en las etapas o en las secuencias de las etapas de los métodos descritos en la presente sin apartarse del concepto, espíritu y alcance de la invención. Más específicamente, ciertos agentes que se relacionan tanto química como fisiológicamente pueden sustituirse por los agentes descritos en la presente, mientras que los mismos o similares resultados se lograrían. Todos los sustitutos y modificaciones similares aparentes para aquellos expertos en la técnica se considera que están dentro del espíritu, alcance y concepto de la invención como se define por las reivindicaciones anexas.

Claims (1)

1. NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención se considera como novedad y por lo tanto se reclama como propiedad lo descrito en las siguientes reivindicaciones REIVINDICACIONES 1. Un aparato biorreactor de sistema cerrado, caracterizado porque comprende: a) uno o más tubos flexibles capaces de contener un medio acuoso; b) uno o más rodillos peristálticos operablemente acoplados a los tubos para hacer circular el medio a través de los tubos y para remover oxígeno fotosintéticamente generado; y c) una barrera térmica dentro de uno o más tubos para regular la temperatura del medio, en donde el medio puede dirigirse alternativamente sobre o debajo de la barrera para calentar o enfriar el medio. 2. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende múltiples inductores de vórtice axial verticalmente dispuestos dentro de los tubos para proporcionar mezclado rotacional del medio acuoso. 3. El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque los inductores de vórtice axial adyacentes se disponen con torsiones en el sentido de las manecillas del reloj y en contra de las manecillas del reloj . 4. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los tubos se disponen horizontalmente a lo largo del suelo. 5. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende dos tubos flexibles y dos rodillos peristálticos, cada tubo se acopla operablemente a un rodillo peristáltico sencillo. 6. El aparato de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque comprende un primer y segundo alojamiento control acoplado operablemente a los extremos de los dos tubos para formar un sistema biológicamente cerrado. 7. El aparato de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque comprende un dispositivo de remolino en el primer alojamiento control para concentrar algas u otros organismos acuáticos o para remover mucilago o espuma. 8. El aparato de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque comprende uno o más tubos para bebedero acoplados operablemente al dispositivo de remolino para remover algas concentradas u otros productos desde el aparato. 9. El aparato de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque comprende una cámara de burbujas de gas en el segundo alojamiento control para proporcionar C02 al medio acuoso. 10. El aparato de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el movimiento de los rodillos peristálticos a lo largo de los tubos remueve oxígeno u otros gases disueltos desde el medio. 11. Un aparato biorreactor de sistema cerrado, caracterizado porque comprende: a) dos tubos flexibles capaces de contener un medio acuoso; b) dos rodillos peristálticos acoplados operablemente a los tubos para hacer circular el medio a través de los tubos y para remover burbujas de gas desde los tubos ; c) inductores de vórtices axial múltiples dispuestos verticalmente dentro de los tubos para proporcionar exposición rotacional del medio acuoso a la luz solar; y d) un primer y segundo alojamiento control acoplado operablemente a los extremos de los tubos para formar un sistema cerrado. 12. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende una barrera térmica dentro de uno o más tubos para regular la temperatura del medio, en donde el medio puede dirigirse alternativamente sobre o debajo de la barrera para exponer o aislar el medio de su ambiente térmico. 13. El aparato de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque comprende un mecanismo dentro del primer alojamiento control para dirigir el medio sobre o debajo de la barrera. 14. El aparato de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el mecanismo comprende al menos un compartimiento rígido unido al menos a un accionador que coloca un compartimiento para dirigir el medio sobre o debajo de la barrera. 15. El aparato de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado además porque comprende un dispositivo de remolino en el primer alojamiento control para concentrar las algas . 16. El aparato de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado además porque comprende uno o más tubos para bebedero acoplados operablemente al dispositivo de remolino para remover algas concentradas desde el aparato. 17. El aparato de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado además porque comprende una cámara de burbujas de gas en el segundo alojamiento control para proporcionar C02 al medio acuoso. 18. El aparato de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque la cámara de burbujas de gas comprende una membrana de neopreno perforada a través de la cual se burbujea el gas. 19. El aparato de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque las burbujas de gas se introducen en el fondo de una columna de agua, el agua se mueve en una dirección descendente y las burbujas de gas se mueven en una dirección ascendente. 20. Un método para el cultivo de algas, caracterizado porque comprende: a) introducir algas en un medio acuoso dentro del biorreactor de sistema cerrado de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-18; b) exponer las algas a luz solar; c) regular la temperatura del medio controlando la distribución del medio sobre y debajo de una barrera térmica; y d) cultivar las algas bajo condiciones permitiendo la reproducción y el crecimiento de algas. 21. El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque comprende separar las algas del medio. 22. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado además porque comprende remover aceite de las algas. 23. El método de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque comprende producir biodiesel a partir del aceite. 2 . El método de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque el biodiesel se produce por transesterificación . 25. El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque comprende hacer circular las algas a través del biorreactor utilizando rodillos peristálticos. 26. El método de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque las algas dentro de los tubos se hacen circular axialmente utilizando inductores de vórtice axiales en los tubos. 27. El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque comprende introducir gas C02 en el medio utilizando una o más cámaras de burbujas de C02. 28. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque las algas se separan parcialmente del medio utilizando un dispositivo de remolino . 29. El método de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque comprende separar productos no oleosos a partir de las algas. 30. El método de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado porque los productos no oleosos comprenden carbohidratos . 31. El método de conformidad con la reivindicación 30, caracterizado porque los carbohidratos se convierten en gas hidrógeno, gas metano y/o etanol. 32. El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque comprende recolectar las algas para uso en alimento animal o humano. 33. El método de conformidad con la reivindicación 32, caracterizado porque las algas son Spirulina, Dunaliella o Tetraselmis . 34. El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque comprende utilizar las algas como alimento para una especie acuática que come algas . 35. El método de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado porque la especie acuática es un camarón penaeidae. 36. Un sistema para producir biodiesel a partir de algas, caracterizado porque comprende: a) un biorreactor cerrado de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-18, el biorreactor contiene una suspensión de algas en un medio acuoso; b) un mecanismo para recolectar las algas a partir el medio; c) un dispositivo para separar aceite de las algas; d) un aparato para convertir el aceite en biodiesel . 37. El sistema de conformidad con la reivindicación 36, caracterizado porque el mecanismo para recolectar algas comprende un dispositivo de remolino y uno o más tubos para bebedero. 38. El sistema de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque el mecanismo para recolectar algas comprende al menos una centrifugadora. 39. El sistema de conformidad con la reivindicación 36, caracterizado porque el aparato para convertir aceite en biodiesel utiliza un proceso de transesterificación . 40. El sistema de conformidad con la reivindicación 36, caracterizado porque el biorreactor cerrado comprende uno o más rodillos en uno o más rieles, los rodillos se mueven hacia la longitud de los tubos flexibles para mover la suspensión acuosa a través de los tubos . 41. El sistema de conformidad con la reivindicación 40, caracterizado porque los rodillos en contacto con los tubos se disponen de manera que comprimen los tubos a aproximadamente 85% de la altura de los tubos no comprimidos . 42. El sistema de conformidad con la reivindicación 41, caracterizado porque el movimiento de la suspensión acuosa a través de los tubos resulta en un movimiento de fluido de remolino en un extremo de los tubos . 43. El sistema de conformidad con la reivindicación 42, caracterizado porque el movimiento de fluido de remolino resulta en una separación parcial de algas que contienen aceite a partir del medio acuoso. 44. El sistema de conformidad con la reivindicación 36, caracterizado porque los tubos contienen una barrera térmica dispuesta dentro del tubo, sustancialmente paralela a la superficie del suelo, para regular la temperatura de la suspensión acuosa dentro de los tubos . 45. El sistema de conformidad con la reivindicación 44, caracterizado porque la altura de la barrera térmica sobre el suelo puede ajustarse para controlar la temperatura de la suspensión acuosa. 46. El sistema de conformidad con la reivindicación 45, caracterizado porque durante las horas de luz del día el flujo de la suspensión acuosa se dirige debajo de la barrera térmica para mantener la temperatura de la suspensión a temperatura del suelo y sobre la barrera térmica para calentar la suspensión. 47. El sistema de conformidad con la reivindicación 45, caracterizado porque durante las horas de la noche el flujo de la suspensión acuosa se dirige sobre la barrera térmica para enfriar la suspensión y debajo de la barrera térmica para mantener la temperatura de la suspensión a temperatura del suelo. 48. El sistema de conformidad con la reivindicación 36, caracterizado porque la superficie externa de los tubos está comprendida de un plástico. 49. El sistema de conformidad con la reivindicación 48, caracterizado porque el plástico se selecciona del grupo que consiste de polietileno, polipropileno, poliuretano, policarbonato, polivinilpirrolidona, cloruro de polivinilo, poliestireno, poli (tereftalato de etileno) , poli (naftalato de etileno) , poli ( tereftalato de 1 , 4 -ciclohexandimetileno) , poliolefina, polibutileno , poliacrilato y cloruro de polivinilideno . 50. El sistema de conformidad con la reivindicación 48, caracterizado porque la superficie externa del tubo está comprendida de polietileno de 0.025 cm (0.01 pulgadas) de espesor. 51. El sistema de conformidad con la reivindicación 42, caracterizado porque la barrera térmica está comprendida de una espuma de polietileno de 2.54 cm (1 pulgada) de espesor u otra construcción de célula llena con aire. 52. El sistema de conformidad con la reivindicación 51, caracterizado porque la superficie superior de la barrera térmica comprende una capa de arena, una cerámica o plástico traslúcido, un silicato o vidrio. 53. El sistema de conformidad con la reivindicación 52, caracterizado porque la superficie superior de la barrera térmica exhibe una emisividad infrarroja de casi 1.0. 54. El sistema de conformidad con la reivindicación 40, caracterizado porque el movimiento de los rodillos recolecta oxígeno y otros gases a partir del medio para la remoción del sistema. 55. El sistema de conformidad con la reivindicación 48, caracterizado porque la capa externa de plástico se indenta con un modelo lineal Frenel que recolecta luz solar a partir de un ángulo de ley de Snell inferior y lo dirige dentro del medio de crecimiento de algas. 56. El sistema de conformidad con la reivindicación 55, caracterizado porque los tubos se exponen en forma perpendicular al ángulo inferior del sol sureño para los meses invernales en climas templados.