ES2899980T3 - Proceso biológico y químico que utiliza microorganismos quimioautótrofos para la fijación quimiosintética de dióxido de carbono y/u otras fuentes de carbono inorgánico en compuestos orgánicos y la generación de productos útiles adicionales - Google Patents
Proceso biológico y químico que utiliza microorganismos quimioautótrofos para la fijación quimiosintética de dióxido de carbono y/u otras fuentes de carbono inorgánico en compuestos orgánicos y la generación de productos útiles adicionales Download PDFInfo
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Abstract
Método biológico y químico para la captura y conversión de dióxido de carbono en compuestos orgánicos que comprende: introducir gas dióxido de carbono, solo y/o disuelto en una mezcla o disolución que comprende además un ion carbonato y/o ion bicarbonato en un entorno apropiado para conservar organismos quimioautótrofos y/o extractos de células quimioautótrofas; y fijar el dióxido de carbono y/o el carbono inorgánico en compuestos orgánicos en el entorno mediante al menos una reacción de fijación de carbono quimiosintética utilizando microorganismos quimioautótrofos que comprenden una Ralstonia sp.; en el que cuando la reacción de fijación de carbono quimiosintética está provocada por energía química y/o electroquímica proporcionada por donadores de electrones y aceptores de electrones que se han generado química y/o electroquímicamente y/o que se introducen en el entorno a partir de al menos una fuente externa al entorno, y en el que el donador de electrones comprende hidrógeno generado mediante un método de electrólisis seleccionado del grupo que comprende electrólisis de membrana de intercambio protónico, electrólisis de electrolito líquido, electrólisis de alta presión y electrólisis de alta temperatura de vapor y dicho aceptor de electrones comprende dióxido de carbono y/u oxígeno; en el que el entorno apropiado para conservar organismos quimioautótrofos y/o extractos de células quimioautótrofas se conserva usando una afluencia y una retirada continuas de medio nutriente y/o biomasa, en un estado sustancialmente estable en el que se enfocan la población celular y los parámetros ambientales a un nivel apropiado u óptimo sustancialmente constante a lo largo del tiempo; y en el que la biomasa se produce por la al menos una reacción quimiosintética y en el que la biomasa se separa del entorno y se trata para dar un producto que comprende un alimento para animales, un fertilizante, un aditivo para suelos, un estabilizante para suelos, una fuente de carbono para fermentaciones a gran escala, una fuente de nutrientes para el crecimiento de otros microbios u organismos y/o como una fuente de sustancias farmacéuticas, medicinales o nutricionales.
Description
DESCRIPCIÓN
Proceso biológico y químico que utiliza microorganismos quimioautótrofos para la fijación quimiosintética de dióxido de carbono y/u otras fuentes de carbono inorgánico en compuestos orgánicos y la generación de productos útiles adicionales
CAMPO DE LA INVENCIÓN
[0001] La presente invención entra dentro de las áreas técnicas de biocombustibles, biorremediación, captura de carbono, conversión de dióxido de carbono en combustibles, reciclado de carbono, secuestro de carbono, almacenamiento de energía y fuentes de energía renovable/alternativa y/o de baja emisión de dióxido de carbono. Específicamente, la presente invención supone en determinados aspectos un único uso de biocatalizadores en un proceso biológico y químico para fijar dióxido de carbono y/ otras formas de carbono inorgánico en productos químicos orgánicos a través de quimiosíntesis. Asimismo, determinadas realizaciones de la presente invención suponen la producción de coproductos químicos que se han cogenerado a través de las etapas de reacción quimiosintética y/o las etapas de reacción no biológica como parte de un proceso de captura y conversión de carbono general. La presente invención puede permitir la captura eficaz de dióxido de carbono de la atmósfera o de una fuente de emisiones de dióxido de carbono puntual para la producción de combustible líquido de transporte y/u otros productos químicos orgánicos, lo que puede ayudar a abordar el cambio climático causado por los gases de efecto invernadero y contribuir a la producción nacional de combustibles líquidos de transporte renovables sin depender de la agricultura.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
[0002] El asombroso progreso tecnológico y económico conseguido en los últimos 100 años ha sido impulsado en gran medida por los combustibles fósiles. Sin embargo, en la actualidad se está cuestionando la sostenibilidad de este progreso, debido tanto al aumento de gases de efecto invernadero provocado por combustión de combustibles fósiles como a la creciente escasez de recursos de combustibles fósiles.
[0003] El hidrógeno, que se puede generar mediante un número de diferentes tecnologías de la energía renovable inorgánica, incluyendo la solar, la eólica y la geotérmica, se ha propuesto como un sustituto para combustibles hidrocarburos. Pero el hidrógeno tiene su propia serie de problemas entre los que destacan los problemas de almacenamiento. Irónicamente, el mejor medio de almacenamiento químico para el hidrógeno en términos de densidad energética tanto volumétrica como gravimétrica es, con mucha probabilidad, hidrocarburos como gasolina, lo que sugiere que la búsqueda de combustible de hidrógeno puede simplemente volver a cerrar el círculo de los hidrocarburos.
[0004] Los biocombustibles son un tipo prometedor de hidrocarburo renovable hecho generalmente a través de la captura y conversión de CO2 en materia orgánica por organismos fotosintéticos. Dado que la flota y la infraestructura de transporte actuales están diseñadas para combustibles fósiles con propiedades similares a las de los biocombustibles, se pueden adaptar más fácilmente para biocombustibles que para productos de almacenamiento de energía inorgánica como hidrógeno o baterías. Una ventaja adicional de los biocombustibles, y de los hidrocarburos en general, es que tienen algunas de las densidades energéticas volumétricas y gravimétricas más altas encontradas para cualquier forma de almacenamiento de energía química - sustancialmente más altas que las conseguidas con las tecnologías de almacenamiento de baterías de litio y de hidrógeno actuales. Sin embargo, los biocombustibles producidos a través de fotosíntesis tienen su propia serie de problemas.
[0005] La mayoría de los biocombustibles producidos actualmente dependen de la agricultura. Se ha culpado a las grandes exigencias de los proyectos de biocombustibles agrícolas a gran escala para tierra cultivable, agua dulce y otros recursos requeridos para el crecimiento vegetal del rápido aumento de los precios de los alimentos y de la pérdida de hábitat natural [The Price of Biofuels: The Economics Behind Alternative Fuels, Technology Review, Enero/Febrero 2008].
[0006] Como alternativa a las plantas de mayor orden se están estudiando microorganismos fotosintéticos como algas y cianobacterias para aplicaciones que conviertan CO2 en biocombustibles u otros químicos orgánicos [Sheehan et al., 1998, "A Look Back at the U.S. Department of Energy's Aquatic Species Program—Biodiesel from Algae"]. Las tecnologías de algas y cianobacterias se benefician de unas tasas de crecimiento relativamente altas, superando de lejos la tasa de fijación de carbono por unidad de biomasa independiente de las plantas de mayor orden. En una aplicación prometedora de la tecnología de algas se consigue una tasa alta de fijación de carbono y producción de biomasa dirigiendo un flujo concentrado de CO2, como se emite desde fuentes puntuales industriales, a través de biorreactores que contienen algas [Bayless et al. patente estadounidense N° 6.667.171].
[0007] Las tecnologías basadas en microbios fotosintéticos comparten el inconveniente común para todos los sistemas fotosintéticos ya que la fijación de carbono solo se produce con la exposición a la luz. Si el nivel de luz es deficiente, un sistema de algas realmente se puede convertir en un productor neto de emisiones de CO2. Un biorreactor o estanque usado para el crecimiento de microbios fotosintéticos como algas debe tener una alta relación área superficial- volumen con el fin de permitir que cada célula reciba suficiente luz para la fijación de carbono y el crecimiento celular. De lo contrario, el bloqueo de la luz por parte de las células en la superficie dejará las células localizadas hacia el centro del volumen en la oscuridad - convirtiéndolas en emisoras netas de CO2. Esta alta relación área superficial-volumen necesaria
para la implementación eficaz de las tecnologías de algas y cianobacterias generalmente da como resultado o bien una gran huella en el terreno (estanques) o bien altos costes de material (biorreactores). Los tipos de materiales que se pueden usar en la construcción de un biorreactor de algas están limitados por la exigencia de que las paredes que se sitúan entre la fuente de luz y el entorno de crecimiento de las algas sean transparentes. Esta exigencia limita el uso de materiales de construcción que se preferirían normalmente para su uso en proyectos a gran escala, como el hormigón, el acero y terraplenes.
[0008] Además de los procesos de fijación de CO2 biológicos que se han comentado, también hay procesos completamente químicos para fijar el CO2 en compuestos orgánicos (Helios de LBNL; Green Freedom de LANL; Sunshine to Petrol de Sandia; PARC). Las tecnologías completamente químicas se ven actualmente dificultadas por los catalizadores que son necesarios para la relativamente complicada reacción del CO2 a carbono fijo, especialmente C2 e hidrocarburos más largos.
[0009] Se sabe que los microorganismos quimioautótrofos catalizan la reacción de fijación de carbono sin fotosíntesis. Las reacciones quimiosintéticas realizadas por quimioautótrofos para la fijación de CO2, y otras formas de carbono inorgánico, en compuestos orgánicos, se impulsa por la energía potencial almacenada en químicos inorgánicos, en vez de por la energía radiante de la luz [Shively et al., 1998; Smith et al., 1967; Hugler et al., 2005; Hugker et al., 2005; Scott y Cavanaugh, 2007]. Las rutas bioquímicas de fijación de carbono que se producen en quimioautótrofos incluyen el ciclo de los ácidos tricarboxílicos reductivo, el ciclo de Calvin-Benson-Bassham [Jessup Shively, Geertje van Kaulen, Wim Meijer, Annu. Rev. Microbiol., 1998, 191-230] y la ruta de Wood-Ljungdahl [Ljungdahl, 1986; Gottschalk, 1989; Lee, 2008; Fischer, 2008].
[0010] Se conoce el trabajo previo relativo a determinadas aplicaciones de microorganismos quimioautótrofos en la captura y conversión de gas CO2 en carbono fijo [Patente estadounidense 4.596.778 "Single cell protein from sulfur energy sources" Hitzman, 24 de junio de 1986], [Patente estadounidense 4.859.588 "Production of a single cell protein", Sublette 22 de agosto de 1989], [Patente estadounidense 5.593.886 "Clostridium strain which produces acetic acid from waste gases Gaddy", 14 de enero de 1997], [Patente estadounidense 5.989.513 "Biologically assisted process for treating sour gas at high pH", Rai 23 de noviembre de 1999]. Sin embargo, cada uno de estos alcances convencionales ha sufrido defectos que han limitado la eficacia, la viabilidad económica, la practicidad y la adopción comercial de los procesos descritos. La presente invención, en determinados aspectos, aborda uno o más de los defectos anteriormente mencionados.
[0011] Los microorganismos quimioautótrofos también se han usado para convertir biológicamente gas de síntesis en C2 y compuestos orgánicos más largos que incluyen ácido acético y acetato, y biocombustibles como etanol y butanol [Gaddy, 2007; Lewis, 2007; Heiskanen, 2007; Worden, 1991; Klasson, 1992; Ahmed, 2006; Cotter, 2008; Piccolo, 2008, Wei, 2008]; sin embargo, en tales alcances la materia prima está estrictamente limitada a carbono fijo (o bien biomasa o bien combustible fósil), que se gasifica y después se convierte biológicamente en otra forma de carbono fijo — biocombustible, y la fuente de carbono y la fuente de energía utilizadas en el proceso provienen de la misma entrada de proceso, o bien biomasa o bien combustible fósil, y se entremezclan por completo en el gas de síntesis en la forma de H2, CO y CO2. Los presentes inventores han reconocido en el contexto de la presente invención que existe una necesidad de procesos que no requieran ninguna materia prima de carbono fijo, solo CO2 y/u otras formas de carbono inorgánico y/o utilicen una fuente de carbono y una fuente de energía que se deriven de entradas procesos independientes.
[0012] En la técnica anterior se conoce la fijación de dióxido de carbono, usando especies quimioautótrofas e hidrógeno producidos a partir de energía solar, de una patente que se centra en la producción de metano y productos farmacéuticos [JP H06 169783].
[0013] Varias especies quimioautótrofas, incluyendo Ralstonia, se describen en un artículo científico que da a conocer la conversión de dióxido de carbono en carbono orgánico en el ciclo de Calvin [Aharon Oren: "Chemolithotrophy" en: "ENCYCLOPEDIA OF LIFE SCIENCES", 15 de septiembre de 2009 (15-09-2009), John Wiley & Sons, Ltd, Chichester].
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
[0014] En respuesta a una necesidad en la técnica que los inventores han reconocido al hacer la invención, se describe un proceso biológico y químico combinado novedoso para la captura y conversión de carbono inorgánico en compuestos orgánicos que usa microorganismos quimiosintéticos para la fijación de carbono y que se diseña para juntar la producción eficaz de compuestos orgánicos de valor alto como combustible hidrocarburo líquido con la captura de emisiones de CO2, haciendo la captura de carbono un proceso generador de ingresos.
[0015] De conformidad con un primer aspecto de la invención, se proporciona un método biológico y químico como se define en las reivindicaciones adjuntas a la presente.
[0016] En el presente documento se describen procesos biológicos y químicos para la captura y conversión de dióxido de carbono y/u otras fuentes de carbono inorgánico en compuestos orgánicos que comprenden: introducir gas dióxido de carbono, solo y/o disuelto en una mezcla o disolución que comprende además un ion carbonato y/o un ion bicarbonato,
en un entorno apropiado para conservar organismos quimioautótrofos y/o extractos de células quimioautótrofas; y fijar el dióxido de carbono y/o carbono inorgánico en compuestos orgánicos en el entorno mediante al menos una reacción de fijación de carbono quimiosintética utilizando Ralstonia sp.; en el que cuando se provoca la reacción de fijación de carbono quimiosintética por la energía química y/o electroquímica proporcionada por los donadores de electrones y los aceptores de electrones que se han generado química y/o electroquímicamente y/o se introducen en el entorno a partir de al menos una fuente externa al entorno.
[0017] La fuente de carbono puede ser independiente de la fuente de energía en determinadas realizaciones de la presente invención, lo que permite que funcione como una tecnología de conversión energética mucho más general que las conversiones de gas de síntesis en combustible líquido. Esto se debe a que los donadores de electrones usados en la presente invención se pueden generar a partir de amplia variedad de diferentes fuentes de energía libre de CO2, tanto convencionales como alternativas, mientras que para conversiones de gas de síntesis en biocombustible, toda la energía almacenada en el biocombustible se deriva en última instancia de la fotosíntesis (con energía geoquímica adicional en el caso de materia prima de combustibles fósiles).
[0018] En estas etapas de procedimiento, los microorganismos quimioautótrofos realizan quimiosíntesis para fijar carbono inorgánico en compuestos orgánicos usando la energía química almacenada en hidrógeno como un donador de electrones bombeado o proporcionado de otra manera a los medios nutrientes. El donador de electrones se oxida por aceptores de electrones en la reacción quimiosintética. Los aceptores de electrones que se pueden usar en la etapa de reacción quimiosintética incluyen dióxido de carbono y/u oxígeno.
[0019] La etapa o etapas de reacción quimiosintética de determinados procesos de la invención en los que se fija dióxido de carbono y/o carbono inorgánico en carbono orgánico en la forma de compuestos orgánicos y biomasa se pueden realizar en condiciones aeróbicas, microaeróbicas, anóxicas, anaeróbicas o facultativas. Se considera que un entorno facultativo es uno en el que la columna de agua se estratifica en capas aeróbicas y capas anaeróbicas. El nivel de oxígeno mantenido espacial y temporalmente en el sistema dependerá de las especies quimioautótrofas usadas y de las reacciones de quimiosíntesis deseadas a realizar.
[0020] Una característica adicional de determinadas realizaciones de la presente invención contempla la fuente, la producción o el reciclado del donador de electrones usado por los microorganismos quimioautótrofos para fijar dióxido de carbono en compuestos orgánicos. El donador de electrones usado para la captura de dióxido de carbono y la fijación de carbono se puede producir o reciclar en la presente invención de manera electroquímica o termoquímica usando potencia a partir de un número de diferentes tecnologías de la energía renovable y/o de baja emisión de carbono que incluyen, pero no se limitan a: fotovoltaica, solar térmica, eólica, hidroeléctrica, nuclear, geotérmica, geotérmica mejorada, térmica oceánica, energía de las olas oceánicas o mareomotriz.
[0021] Una característica adicional de determinadas realizaciones de la presente invención contempla la formación y la recuperación de bioquímicos y/o biomasa de la etapa o etapas de fijación de carbono quimiosintético. Estos productos bioquímicos y/o biomasa pueden tener aplicaciones que incluyen, pero no se limitan a, uno o más de los siguientes: como una fuente de carbono para fermentaciones a gran escala; como una fuente de nutrientes para el crecimiento de otros microbios u organismos; como alimento para animales que incluyen, pero no se limitan a, reses, ovejas, pollos, cerdos o pescado; como fuentes de sustancias farmacéuticas, medicinales o nutricionales; aditivos para suelos y estabilizantes para suelos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
[0022] Se describirán realizaciones no limitativas de la presente invención a modo de ejemplo con referencia a las figuras adjuntas, que son esquemáticas y que no están destinadas a estar dibujadas a escala. Por motivos de claridad, no se han etiquetado todos los componentes en todas las figuras, ni se muestran todos los componentes de cada realización de la invención cuando la ilustración no es necesaria para que los expertos en la materia comprendan la invención. En las figuras:
La figura 1 es un diagrama de flujo de procesos general para una realización de esta invención para un proceso de captura y fijación de carbono;
La figura 2 es un diagrama de flujo de procesos para otra realización de la presente invención con captura de CO2 realizada por quimioautótrofos oxidantes de hidrógeno que da como resultado la producción de etanol;
La figura 3 muestra el balance de masa calculado para la realización de la figura 2 que hace reaccionar CO2 con H2 para producir etanol;
La figura 4 muestra el flujo de entalpía calculado para la realización de la figura 2 que hace reaccionar CO2 con H2 para producir etanol;
La figura 5 muestra el balance de energía calculado para la realización de la figura 2 que hace reaccionar CO2 con H2 para producir etanol;
La figura 6 es un diagrama de flujo de procesos de un método comparativo para la captura de CO2 mediante quimiautótrofos oxidantes de azufre y la producción de biomasa y ácido sulfúrico;
La figura 7 es un diagrama de flujo de procesos de un método comparativo para la captura de CO2 mediante quimiautótrofos oxidantes de azufre y la producción de biomasa y de ácido sulfúrico a través de la reacción quimiosintética y de carbonato de calcio mediante la reacción de Muller-Kuhne;
La figura 8 es un diagrama de flujo de procesos de un método comparativo para la captura de CO2 mediante quimiautótrofos oxidantes de azufre y la producción de biomasa y de carbonato de calcio y el reciclado del tiosulfato donador de electrones mediante la reacción de Muller-Kuhne;
La figura 9 es un diagrama de flujo de procesos de un método comparativo para la captura de CO2 mediante quimiautótrofos oxidantes de azufre y hierro y la producción de biomasa y ácido sulfúrico usando una fuente insoluble de electrones;
La figura 10 es un diagrama de flujo de procesos de un método comparativo para la captura de CO2 mediante quimiautótrofos oxidantes de azufre e hidrógeno y la producción de biomasa, ácido sulfúrico y etanol usando una fuente insoluble de donadores de electrones; y
La figura 11 es un diagrama de flujo de procesos de un método comparativo para la captura de CO2 mediante quimiautótrofos oxidantes de hierro e hidrógeno y la producción de biomasa, sulfato férrico, carbonato y etanol usando carbón u otro hidrocarburo para generar donadores de electrones en un proceso que no emite emisiones gaseosas de CO2.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
[0023] La presente invención proporciona, en determinadas realizaciones, composiciones y métodos para la captura y la fijación de dióxido de carbono a partir de flujos de gas que contienen dióxido de carbono y/o dióxido de carbono atmosférico o dióxido de carbono en forma licuada o químicamente ligada a través de un proceso químico y biológico. Además, la presente invención, en determinadas realizaciones, proporciona un método para la recuperación, el procesamiento y el uso de los productos químicos de la etapa o etapas de reacción quimiosintética realizadas por Ralstonia sp. para fijar carbono inorgánico en compuestos orgánicos.
[0024] El género de microorganismos quimioautótrofos que se puede usar en una o más etapas de procedimiento de la presente invención comprende Ralstonia sp.
[0025] La figura 1 ilustra el diagrama de flujo de procesos general para determinadas realizaciones de la presente invención que tienen una etapa de proceso para la generación de donadores de electrones apropiados para apoyar la quimiosíntesis desde una entrada de energía y entrada de químicos inorgánicos puros; seguida por la recuperación de productos químicos de la etapa de generación de donador de electrones; el suministro de los donadores de electrones generados junto con aceptores de electrones, agua, nutrientes y CO2 de una fuente de gas de escape industrial puntual en la etapa o etapas de reacción quimiosintética que se aprovechan de microorganismos quimioautótrofos para capturar y fijar dióxido de carbono, creando coproductos químicos y de biomasa a través de reacciones quimiosintéticas; seguida por etapas de procedimiento para la recuperación de tanto productos químicos como biomasa del flujo de tratamiento; y el reciclado de nutrientes que no se han usado y agua del proceso, así como masa celular necesaria para conservar el cultivo quimioautótrofo de nuevo en las etapas de reacción quimiosintética. En la realización ilustrada en la figura 1, el gas de escape que contiene CO2 se captura a partir de una fuente puntual o emisor. Se pueden generar los donadores de electrones necesarios para la quimiosíntesis a partir de químicos inorgánicos de entrada y energía. El gas de escape se bombea a través de biorreactores que contienen Ralstonia sp. junto con donadores y aceptores de electrones para provocar la quimiosíntesis y un medio apropiado para apoyar un cultivo quimioautótrofo y la fijación de carbono a través de quimiosíntesis. El cultivo celular puede fluir continuamente en y fuera de los biorreactores. Después de que el cultivo celular salga de los biorreactores, la masa celular se separa del medio líquido. La masa celular necesaria para reponer la población del cultivo celular a un nivel funcional u óptimo se recicla de nuevo en el biorreactor. La masa celular excedente se puede secar para formar un producto de biomasa seco. Tras la etapa de separación celular, los productos químicos de la reacción quimiosintética se pueden retirar del flujo de tratamiento y recuperar. A continuación, se puede retirar cualquier producto de desecho no deseado que pueda estar presente. Tras esto, en la realización ilustrada, el medio líquido y cualquier nutriente que no se haya usado se reciclan de nuevo en los biorreactores.
[0026] Determinadas realizaciones de la presente invención usan fuentes de energía renovable y/o libre de emisiones de dióxido de carbono o con bajas emisiones de carbono en la producción de donadores de electrones que incluyen, pero no se limitan a, una o más de las siguientes: fotovoltaica, solar térmica, eólica, hidroeléctrica, nuclear, geotérmica, geotérmica mejorada, térmica oceánica, energía de las olas oceánicas o mareomotriz. En determinadas realizaciones de la presente invención que hacen uso de fuentes de energía renovable y/o libre de emisiones de dióxido de carbono o con bajas emisiones de carbono en la producción de donadores de electrones, los quimioautótrofos funcionan como
biocatalizadores para la conversión de energía renovable en combustible hidrocarburo líquido o compuestos orgánicos de alta densidad energética generalmente, con CO2 capturado de gases de escape o de la atmósfera, o el océano sirve como una fuente de carbono. Estas realizaciones de la presente invención pueden proporcionar tecnologías de la energía renovable con la capacidad de producir combustible para transporte que tiene una densidad energética significativamente mayor que si las fuentes de energía renovable se usaran para producir gas hidrógeno - que debe almacenarse en sistemas de almacenamiento relativamente grandes (por ejemplo, materiales de almacenamiento o tanques) - o si se usara para cargar baterías que tienen una densidad energética relativamente baja. Adicionalmente, el producto de combustible hidrocarburo líquido de determinadas realizaciones de la presente invención puede ser más compatible con la infraestructura de transporte actual en comparación con estas otras opciones de almacenamiento de energía. La capacidad de los quimioautótrofos para usar fuentes de energía química inorgánicas también permite la conversión de carbono inorgánico en combustibles de hidrocarburos líquidos usando fuentes de energía química mineralógica no hidrocarburos, es decir minerales inorgánicos reducidos (como ácido sulfhídrico, pirita), que representan un almacén en gran parte sin explotar de energía geoquímica. Por lo tanto, determinadas realizaciones de la presente invención usan fuentes de energía química mineralógica que se preprocesan antes de las etapas de reacción quimiosintética para dar una forma de donador de electrones y un método de suministro de donador de electrones que es apropiado u óptimo para soportar la fijación de carbono quimioautótrofa.
[0027] La posición de la etapa o etapas de procedimiento para la generación de donadores de electrones en el flujo de procedimiento general de la presente invención se ilustra en la figura 1 por el recuadro 2. con la etiqueta "Generación de donador de electrones". Los donadores de electrones producidos en la presente invención usando procesos electroquímicos y/o termoquímicos conocidos en la técnica de la ingeniería química y/o generados a partir de fuentes naturales incluyen hidrógeno.
[0028] La presente invención usa hidrógeno molecular como el donador de electrones. El hidrógeno donador de electrones se puede generar por métodos conocidos en la técnica de la ingeniería química y de procesos que incluyen, pero no se limitan a, uno o más de los siguientes: a través de electrólisis de agua que incluyen, pero no se limitan a, alcances usando membranas de intercambio de protones (PEM), electrolitos líquidos como KOH, electrólisis de alta presión, electrólisis de vapor de alta temperatura (HTES).
[0029] Determinadas realizaciones de la presente invención que usan potencia eléctrica para la generación de donadores de electrones reciben la potencia de eléctrica de fuentes de energía renovable y/o libre de emisiones de dióxido de carbono o con bajas emisiones de carbono en la producción de donadores de electrones que incluyen, pero no se limitan a, una o más de las siguientes: fotovoltaica, solar térmica, eólica, hidroeléctrica, nuclear, geotérmica, geotérmica mejorada, térmica oceánica, energía de las olas oceánicas o mareomotriz.
[0030] En determinadas realizaciones, los donadores de electrones generados se oxidan en la etapa o etapas de reacción quimiosintética por los aceptores de electrones que incluyen dióxido de carbono y/u oxígeno.
[0031] La posición de la etapa o etapas de reacción quimiosintética en el flujo de procedimiento general de la presente invención se ilustra en la figura 1 por el recuadro 3. con la etiqueta "Biorreactor quimioautótrofo".
[0032] En cada etapa en el proceso en el que se producen reacciones quimiosintéticas, uno o más tipos de donador de electrones y uno o más tipos de aceptor de electrones se pueden bombear o añadir de otra manera al recipiente de reacción o bien como una adición de bolo o bien periódica o continuamente al medio nutriente que contiene organismos quimioautótrofos. La reacción quimiosintética provocada por la transferencia de electrones desde el donador de electrones hasta el aceptor de electrones fija dióxido de carbono inorgánico en compuestos orgánicos y biomasa.
[0033] En determinadas realizaciones de la presente invención, mediadores de electrones se pueden incluir en el medio nutriente para facilitar el suministro de equivalentes de reducción a partir de donadores de electrones a organismos quimioautótrofos en presencia de aceptores de electrones y carbono inorgánico con el fin de mejorar de manera cinética la etapa de reacción quimiosintética. Este aspecto de la presente invención es particularmente aplicable a realizaciones de la presente invención que usan donadores de electrones poco solubles como gas H2. El suministro de equivalentes de reducción desde los donadores de electrones hasta los organismos quimioautótrofos para la reacción o reacciones quimiosintética se puede mejorar de manera cinética y/o termodinámica en la presente invención a través de medios que incluyen, pero no se limitan a: la introducción de materiales de almacenamiento de hidrógeno en el entorno de cultivo quimioautótrofo que pueden duplicarse como medios de soporte líquido para el crecimiento microbiano - acercando hidrógeno donador de electrones asimilado o adsorbido con los quimioautótrofos oxidantes de hidrógeno; la introducción de mediadores de electrones conocidos en la técnica como, pero sin limitarse a, citocromos, formiato, metil viológeno, NAD+/NADH, rojo neutro (NR) y quinonas en los medios de cultivo quimioautótrofo.
[0034] El caldo de cultivo usado en las etapas quimiosintéticas de determinadas realizaciones de la presente invención puede ser una disolución acuosa que contiene minerales, sales, vitaminas, cofactores, tampones y otros componentes apropiados necesarios para el crecimiento microbiano, conocidos por los expertos en la técnica [Bailey and Ollis, Biochemical Engineering Fundamentals, 2a ed.; páginas 383-384 y 620-622; McGraw-Hill: Nueva York (1986)]. Estos nutrientes se pueden elegir para facilitar o maximizar el crecimiento de Ralstonia sp. y fomentar las rutas enzimáticas
quimiosintéticas. Entornos de crecimiento alternativos como los usados en la técnica de estado sólido o fermentación no acuosa se pueden usar en determinadas realizaciones. En determinadas realizaciones que utilizan un caldo de cultivo acuoso, se usan agua salada, agua de mar u otras fuentes de agua no potable cuando son toleradas por los organismos Ralstonia sp.
[0035] Las rutas quimiosintéticas se pueden controlar y optimizar en determinadas realizaciones de la presente invención para la producción de productos químicos y/o biomasa mediante el mantenimiento de condiciones de crecimiento específicas (por ejemplo, niveles de nitrógeno, oxígeno, fósforo, azufre, micronutrientes en trazas como iones inorgánicos y, si hubiera, cualquier molécula reguladora que no pueda considerarse generalmente un nutriente o fuente de energía). Dependiendo de la realización de la invención, el caldo puede mantenerse en condiciones aeróbicas, microaeróbicas, anóxicas, anaeróbicas o facultativas, dependiendo de las exigencias de los organismos Ralstonia sp. y los productos deseados a crear por el proceso quimiosintético. Un entorno facultativo se considera uno que tiene capas superiores aeróbicas y capas inferiores anaeróbicas provocadas por la estratificación de la columna de agua.
[0036] La fuente de carbono inorgánico usada en las etapas de procedimiento de la reacción quimiosintética de determinadas realizaciones de la presente invención incluye, pero no se limita a, uno o más de los siguientes: un flujo de gas que contiene dióxido de carbono que puede ser puro o una mezcla; CO2 licuado; hielo seco; dióxido de carbono disuelto, ion carbonato o ion bicarbonato en disoluciones que incluyen soluciones acuosas como agua de mar. El dióxido de carbono y/u otras formas de carbono inorgánico se pueden introducir en el medio nutriente contenido en recipientes de reacción o bien como una adición de bolo o bien periódica o continuamente a las etapas en el proceso en el que se produce la quimiosíntesis. En determinadas realizaciones de la presente invención, los gases de escape que contienen dióxido de carbono se capturan de la pila de humo a una temperatura, presión y composición gaseosa características del escape sin tratar y se dirigen con una modificación mínima al/a los recipiente(s) de reacción donde se produce la quimiosíntesis. Particularmente para realizaciones en las que no hay impurezas nocivas para los organismos quimioautótrofos en el gas de escape, la modificación del gas de escape tras entrar en los recipientes de reacción se puede limitar sustancialmente a la compresión necesaria para bombear el gas a través del sistema de reactor y el intercambio térmico necesario para bajar la temperatura del gas a una apropiada para los microorganismos.
[0037] Los gases además del dióxido de carbono que se disuelven en el caldo de cultivo de determinadas realizaciones de la presente invención pueden incluir donadores de electrones gaseosos en determinadas realizaciones como, pero sin limitare a, hidrógeno, monóxido de carbono, ácido sulfhídrico u otros gases ácidos; y para determinadas realizaciones aeróbicas de la presente invención, aceptor de electrones de oxígeno, generalmente de aire (por ejemplo, 20,9 % de oxígeno). La disolución de estos y otros gases en la disolución se puede conseguir usando un sistema de compresores, caudalímetros y válvulas de flujo conocidos por los expertos en la técnica del cultivo microbiano a escala de biorreactor, que se introducen en uno o más de los siguientes sistemas comúnmente usados para bombear gas a la disolución: equipos de burbujeo, difusores que incluyen pero no se limitan a geometrías de cúpula, tubo, disco o aro; aireadores de burbujas gruesas o finas; equipos venturi. En determinadas realizaciones de la presente invención, la aireación de la superficie también se puede realizar usando aireadores de paletas y similares. En determinadas realizaciones de la presente invención, la disolución gaseosa se mejora mediante el mezclado mecánico con un propulsor o turbina, así como dispositivos de cizallamiento hidráulico para reducir el tamaño de las burbujas. Siguiendo el paso a través del sistema de reactor que tiene microorganismos Ralstonia sp. que capturan el dióxido de carbono, el gas de escape depurado, que está compuesto de manera general principalmente de gases inertes como nitrógeno, se puede emitir a la atmósfera.
[0038] En determinadas realizaciones de la presente invención, el gas hidrógeno se introduce en el biorreactor quimioautótrofo o bien burbujeándolo a través del medio de cultivo, o bien dispersándolo a través de una membrana que une el medio de cultivo. Este último método puede ser más seguro en determinados casos, dado que el hidrógeno que se acumula en la fase gaseosa puede crear potencialmente condiciones explosivas (el intervalo de concentraciones explosivas de hidrógeno en aire es de 4 a 74,5 % y se puede evitar en determinadas realizaciones de la presente invención).
[0039] En determinadas realizaciones aeróbicas de la presente invención que requieren el bombeo de aire u oxígeno al caldo de cultivo con el fin de mantener niveles oxigenados, las burbujas de oxígeno se inyectan en el caldo a un diámetro apropiado u óptimo para el mezclado y la transferencia de oxígeno. En una realización a modo de ejemplo, el diámetro promedio de las burbujas de oxígeno se selecciona para que sea aproximadamente 2 mm, que se ha demostrado que es óptimo en determinados casos [Environment Research Journal Mayo/Junio 1999 páginas. 307-315]. En determinadas realizaciones aeróbicas de la presente invención, se usa un proceso de cizallamiento de las burbujas de oxígeno para conseguir este diámetro de burbuja, tal como se describe en la patente estadounidense N° 7.332.077. En determinadas realizaciones, el tamaño de las burbujas se controla para producir valores con un diámetro promedio no más grande que 7,5 mm sin compresión sustancial.
[0040] Se pueden añadir químicos adicionales para facilitar el mantenimiento y el crecimiento de Ralstonia sp. tal como se conoce en la técnica al caldo de cultivo de determinadas realizaciones de la presente invención. Las concentraciones de químicos nutrientes y, particularmente, los donadores y aceptores de electrones, se pueden mantener tan cerca como sea posible de sus respectivos niveles óptimos para crecimiento quimioautótrofo y/o absorción y fijación de carbono y/o
producción de compuestos orgánicos máximos, que varía dependiendo de las especies quimioautótrofas utilizadas, pero un experto en la técnica del cultivo de quimioautótrofos lo sabe o lo puede determinar sin una experimentación excesiva.
[0041] Junto con los niveles de nutrientes, también se pueden controlar los niveles de producto de desecho, pH, temperatura, salinidad, oxígeno y dióxido de carbono disueltos, tasas de flujo gaseoso y líquido, tasa de agitación y presión en el entorno del cultivo quimioautótrofo en determinadas realizaciones de la presente invención. Los parámetros operativos que afectan al crecimiento quimioautótrofo se pueden monitorizar con sensores (por ejemplo, sonda de oxígeno disuelto o sonda de reducción de la oxidación para medir concentraciones de donador/aceptor de electrones) y controlar tanto manual como automáticamente basándose en retroalimentación de sensores a través del uso de equipamiento que incluye, pero no se limita a, válvulas de accionamiento, bombas y agitadores. La temperatura del caldo entrante así como de los gases entrantes se puede regular mediante operaciones de la unidad como, pero sin limitarse a, intercambiadores térmicos.
[0042] Se puede proporcionar la agitación del caldo de cultivo en determinadas realizaciones de la presente invención para el mezclado y se puede conseguir mediante equipamiento que incluye, pero no se limita a: recirculación del caldo desde la parte inferior del recipiente hacia la parte superior mediante un conducto de recirculación; burbujeamiento con dióxido de carbono más en determinadas realizaciones gas donador de electrones (es decir, H2) y, para determinadas realizaciones aeróbicas de la presente invención, también oxígeno o aire; un mezclador mecánico como, pero sin limitarse a, un propulsor (100 - 1000 rpm) o turbina.
[0043] En determinadas realizaciones, el medio nutriente que contiene el microorganismo Ralstonia sp. se retira de los reactores quimiosintéticos parcialmente o por completo, periódica o continuamente, y se reemplaza por medio libre de células recién preparado para conservar el cultivo celular en la fase de crecimiento exponencial y/o reponer los nutrientes agotados en el medio de cultivo y/o retirar productos de desecho inhibitorios.
[0044] La producción de productos químicos útiles a través de la etapa o etapas de reacción quimiosintética que hacen reaccionar donadores y aceptores de electrones para fijar dióxido de carbono es una característica de determinadas realizaciones de la presente invención. Se puede conseguir la optimización de la producción de un producto químico de quimiosíntesis deseado en determinadas realizaciones de la presente invención a través del control de los parámetros en el entorno del cultivo quimioautótrofo que incluyen, pero no se limitan a: niveles de nutrientes, niveles de desecho, pH, temperatura, salinidad, oxígeno y dióxido de carbono disueltos, tasas de flujo gaseoso y líquido, tasa de agitación y presión.
[0045] La alta tasa de crecimiento de la especie Ralstonia sp. le permite igualar o incluso sobrepasar las tasas más altas de fijación de carbono y la producción de biomasa por unidad de biomasa independiente asequible por microbios fotosintéticos. En consecuencia, la producción de biomasa excedente es una característica de determinadas realizaciones de la presente invención. El cultivo excedente de masa celular se puede retirar del sistema para producir un producto de biomasa y con el fin de conservar una población microbiana y una densidad celular óptima en el cultivo quimioautótrofo para altas tasas de captura y fijación de carbono continuadas.
[0046] Otra característica de determinadas realizaciones de la presente invención es los recipientes usados para contener el entorno de reacción quimiosintética en el proceso de captura y fijación de carbono. Los tipos de recipientes de cultivo que se pueden usar en la presente invención para cultivar y hacer crecer las bacterias quimioautótrofas para captura y fijación de dióxido de carbono son generalmente conocidos en la técnica del cultivo microbiano a gran escala. Estos recipientes de cultivo, que pueden ser de origen natural o artificial, incluyen, pero no se limitan a: reactores de aerotransporte; columnas de depuración biológica; biorreactores; columnas de burbujas; cavernas; cuevas; cisternas; reactores de depósitos agitados continuamente; reactores de contracorriente, flujo ascendente y lecho expandido; digestores y en particular sistemas digestores como los conocidos en la técnica anterior de tratamiento o biorremediación de aguas residuales y de desechos; filtros que incluyen pero no se limitan a filtros percoladores, filtros de contactores biológicos giratorios, discos giratorios, filtros de suelo; reactores de lecho fluidizado; fermentadores de elevación de gases; reactores de células inmovilizadas; lagunas; reactores de biopelícula de membrana; pozos de minas; depósitos pachuca; reactores de lecho compacto; reactores de flujo taponado; estanques; piscinas; canteras; depósitos; mezcladores estáticos; tanques; torres; reactores de lecho de goteo; cubas; pozos - con la base, el revestimiento, las paredes, el recubrimiento o la parte superior del recipiente construidos con uno o más materiales que incluyen, pero no se limitan a, betún, cemento, cerámica, arcilla, hormigón, epoxi, fibra de vidrio, vidrio, macadán, plásticos, arena, sellador, tierra, aceros u otros metales y sus aleaciones, piedra, alquitrán, madera y cualquier combinación de los mismos. En realizaciones de la presente invención en las que los microorganismos Ralstonia sp. o bien requieren un entorno de crecimiento corrosivo y/o producen químicos corrosivos a través de los materiales resistentes a la corrosión de metabolismo quimiosintético se pueden usar para forrar el interior del recipiente que está en contacto con el medio de crecimiento.
[0047] Determinadas realizaciones de la presente invención minimizarán los costes de material usando geometrías del recipiente quimiosintético que tiene una baja relación área superficial-volumen, como, pero sin limitarse a, sustancialmente cúbica, formas cilíndricas con una relación de aspecto media, sustancialmente elipsoidal o "con forma de huevo", formas sustancialmente hemisféricas o sustancialmente esféricas, a menos que los costes de material se sustituyan por otras consideraciones del diseño (por ejemplo, tamaño de la huella en el terreno). La capacidad para usar geometrías de reactor compactas se permite por la ausencia de una exigencia de luz para reacciones quimiosintéticas, en contraste con las
tecnologías fotosintéticas en las que la relación área superficial-volumen debe ser grande para proporcionar una exposición a la luz suficiente.
[0048] La falta de dependencia a la luz de Ralstonia sp. también puede permitir diseños de plantas con una huella mucho más pequeña que lo que permiten alcances fotosintéticos. En situaciones en las que la huella de la planta necesita minimizarse debido una disponibilidad de la tierra restringida, determinadas realizaciones de la presente invención pueden usar un sistema de biorreactor con eje vertical largo para el crecimiento quimioautótrofo y la captura de carbono. Un biorreactor del tipo con eje vertical largo se describe en las patentes estadounidenses N° 4.279.754, 5.645.726, 5.650.070 y 7.332.077.
[0049] A menos que se sustituyan por otras consideraciones, determinadas realizaciones de la presente invención pueden minimizar de manera ventajosa las superficies del recipiente a través de las cuales pueden producirse grandes pérdidas de agua, nutrientes y/o calor, o que permiten potencialmente la introducción de depredadores invasivos en el reactor. La capacidad para minimizar tales superficies, en determinadas realizaciones, se permite por la falta de exigencias lumínicas para la quimiosíntesis.
[0050] En determinadas realizaciones de la presente invención los microorganismos Ralstonia sp. se inmovilizan dentro del entorno de crecimiento. Esto se puede conseguir usando cualquier medio apropiado conocido en la técnica de cultivo microbiano para apoyar la colonización por microorganismos Ralstonia sp. que incluye, pero no se limita a, crecimiento de Ralstonia sp. en una matriz, malla o membrana hecha de cualquiera de una amplia variedad de materiales y polímeros naturales y sintéticos que incluyen, pero no se limitan a, uno o más de los siguientes: lana de vidrio, arcilla, hormigón, fibra de madera, óxidos inorgánicos como ZrO2, Sb2O3 o AhO3, polisulfona de polímero orgánico o espuma de poliuretano de poro abierto que tienen una gran área superficial específica. Los microorganismos Ralstonia sp. en la presente invención también pueden hacerse crecer sobre las superficies de objetos libres distribuidos por todo el depósito de crecimiento tal como se conoce en la técnica de cultivo microbiano que incluyen, pero no se limitan a, uno o más de los siguientes: perlas; arena; silicatos; sepiolita; vidrio; cerámica; discos de plástico de pequeño diámetro, esferas, tubos, partículas u otras formas conocidas en la técnica; cáscaras de coco trituradas; mazorcas de maíz molidas; carbón activado; carbón granulado; coral triturado; bolas de esponja; medios en suspensión; trozos de tubos de polietileno de caucho (elastomérico) de pequeño diámetro; cuerdas colgantes de tejido poroso, monturas Berl, anillos Raschig.
[0051] La inoculación del cultivo Ralstonia sp. en el recipiente de cultivo, en determinadas realizaciones, se puede realizar por métodos que incluyen, pero no se limitan a, transferencia del cultivo desde un cultivo de Ralstonia sp. habitable hasta otro sistema de captura y fijación de carbono de la presente invención o incubación de una reserva de semillas cultivada en un incubador. La reserva de semillas de cepas de Ralstonia sp., en determinadas realizaciones, se puede transportar y almacenar en formas que incluyen, pero no se limitan a, una forma en polvo, líquida, helada o liofilizada así como cualquier otra forma apropiada, que se puede reconocer fácilmente por un experto en la técnica. Cuando se establece un cultivo en un reactor muy grande, puede ser ventajoso en determinados casos hacer crecer y establecer cultivos en depósitos de escala intermedia progresivamente más largos antes de la inoculación del recipiente a gran escala.
[0052] La posición de la etapa o etapas de procedimiento para la separación de masa celular del flujo de procedimiento en el flujo de procedimiento general de la realización de la presente invención ilustrada en la figura 1 se muestra por el recuadro 4. con la etiqueta "Separación celular".
[0053] La separación de la masa celular de la suspensión líquida en determinadas realizaciones de la presente invención se puede realizar por métodos conocidos en la técnica de cultivo microbiano [Se proporcionan ejemplos de técnicas de recolección de masa celular en la Solicitud de patente internacional N° WO08/00558, publicada el 8 de enero de 1998; patente estadounidense N° 5.807.722; patente estadounidense N° 5.593.886 y patente estadounidense N° 5.821.111. ] que incluyen, pero no se limitan a, uno o más de los siguientes: centrifugación; floculación; flotación; filtración mediante un sistema de filtro de membrana, fibra hueca, espiral o cerámica; filtración al vacío; filtración de flujo tangencial; clarificación; sedimentación; hidrociclón. En realizaciones en las que se inmoviliza la masa celular en una matriz, esta se puede recolectar por métodos que incluyen, pero no se limitan a, sedimentación o filtración por gravedad, y separada del sustrato de crecimiento por fuerzas de cizalladura líquidas.
[0054] En determinadas realizaciones de la presente invención, si se ha retirado un exceso de masa celular del cultivo, este se recicla de nuevo en el cultivo celular tal como se indica por la flecha del proceso con la etiqueta "Masa celular reciclada" en la figura 1., junto con caldo recién preparado de manera que se retiene suficiente biomasa en la etapa o etapas de reacción quimiosintética para la absorción y el crecimiento óptimos de carbono inorgánico continuados o la tasa metabólica. La masa celular recuperada por el sistema de recolección se puede reciclar de nuevo en el recipiente de cultivo usando, por ejemplo, un aerotransporte o una bomba geiser. En determinadas realizaciones, la masa celular reciclada de nuevo en el recipiente de cultivo no se ha expuesto a agentes de floculación, a menos que esos agentes no sean tóxicos para la Ralstonia sp.
[0055] En la presente invención, se conserva el sistema quimiautótrofo usando una afluencia y una retirada continuas de medio nutriente y/o biomasa, en un estado sustancialmente estable en el que se enfocan la población celular y los parámetros ambientales (por ejemplo, densidad celular, concentraciones químicas) a un nivel apropiado u óptimo
sustancialmente constante a lo largo del tiempo. Las densidades celulares se pueden monitorizar en determinadas realizaciones de la presente invención o bien mediante muestreo directo, mediante una correlación de densidad óptica a densidad celular o bien con un analizador de tamaño de partículas. Los tiempos de retención hidráulica y de biomasa se pueden separar para permitir el control independiente de tanto la química del caldo como la densidad celular en determinadas realizaciones. Las tasas de dilución se pueden mantener lo suficientemente altas para que el tiempo de retención hidráulica sea relativamente bajo en comparación con el tiempo de retención de la biomasa, lo que da como resultado un caldo altamente repuesto para el crecimiento celular. Las tasas de dilución también se pueden establecer a un término medio apropiado u óptimo entre la reposición del caldo de cultivo y los costes crecientes del tratamiento derivados del bombeo, las crecientes entradas y otras demandas que aumentan con las tasas de dilución.
[0056] Para ayudar en el procesamiento del producto de biomasa en biocombustibles u otros productos útiles, las células microbianas excedentes en determinadas realizaciones de la invención se rompen abriéndose tras la etapa de separación celular usando métodos que incluyen, pero no se limitan a, molienda de bolas, presión de cavitación, sonicación o cizallamiento mecánico.
[0057] La biomasa recolectada en determinadas realizaciones de la presente invención se seca en la etapa o etapas de procedimiento del recuadro 7. con la etiqueta "Secadora" en el flujo de procedimiento general ilustrado en la figura 1.
[0058] Se puede realizar el secado de la biomasa excedente en determinadas realizaciones de la presente invención usando tecnologías que incluyen, pero no se limitan a, centrifugación, secado por tambor, evaporación, liofilización, calentamiento, secado por atomización, secado al vacío, filtración al vacío. El calor residual de la fuente industrial de gas de escape se puede usar en el secado de la biomasa en determinadas realizaciones. Además, la oxidación quimiosintética de donadores de electrones es exotérmica y generalmente produce calor residual. En determinadas realizaciones de la presente invención, se puede usar el calor residual en el secado de la biomasa.
[0059] En determinadas realizaciones de la invención, la biomasa se procesa posteriormente tras el secado para ayudar a la producción de biocombustibles u otros químicos útiles a través de la separación del contenido lipídico u otros bioquímicos a los que se dirige de la biomasa quimioautótrofa. La separación de los lípidos se puede realizar usando disolventes no polares para extraer los lípidos como, pero sin limitarse a, hexano, ciclohexano, eter etílico, alcohol (isopropanol, etanol, etc.), fosfato de tributilo, dióxido de carbono supercrítico, óxido de trioctilfosfina, aminas secundarias y terciarias o propano. Otros bioquímicos útiles que se pueden extraer en determinadas realizaciones usando disolventes incluyen, pero no se limitan a: cloroformo, acetona, acetato de etilo y tetracloroetileno.
[0060] El caldo sobrante tras la retirada de la masa celular se puede bombear a un sistema para la retirada de los productos de quimiosíntesis y/o los nutrientes usados que se pueden reciclar o recuperar en la medida de lo posible, o incluso deshacerse de ellos. La posición de la etapa o etapas de procedimiento para la recuperación de los productos químicos del flujo de procedimiento en el flujo de procedimiento general de la realización de la presente invención ilustrada en la figura 1 se indica por el recuadro 6. con la etiqueta "Separación de productos químicos".
[0061] La recuperación y/o el reciclado de productos químicos quimiosintéticos y/o nutrientes usados de la disolución de caldo acuosa se puede conseguir en determinadas realizaciones de la presente invención usando equipamientos y técnicas conocidos en la técnica de la ingeniería de procesos y se enfocan hacia los productos químicos de realizaciones particulares de la presente invención, que incluyen, pero no se limitan a: extracción con disolventes; extracción con agua; destilación; destilación fraccionada; cementación; precipitación química; asimilación en solución alcalina; asimilación o adsorción en carbono activado, resina de intercambio iónico o tamiz molecular; modificación del pH de la solución y/o del potencial de reducción de la oxidación, evaporadores, cristalizadores fraccionados, separadores sólido/líquido, nanofiltración y todas las combinaciones de los mismos.
[0062] Tras la recuperación de productos útiles o valiosos del flujo de tratamiento, de conformidad con determinadas realizaciones, la retirada de productos de desecho se puede realizar tal como se indica por el recuadro 8. con la etiqueta "Retirada de desechos" en la figura 1. El caldo restante se puede devolver al recipiente de cultivo junto con agua y nutrientes de sustitución, si se desea (véase la flecha de proceso con la etiqueta "H2O nutrientes reciclados" en la figura 1).
[0063] En determinadas realizaciones de la presente invención hay un coproducto ácido de quimiosíntesis. La neutralización de ácido en el caldo se puede conseguir en determinadas realizaciones por la adición de bases que incluyen, pero no se limitan a: piedra caliza, cal, hidróxido de sodio, amoniaco, potasa cáustica, óxido de magnesio, óxido de hierro. En determinadas realizaciones, la base se puede producir a partir de una fuente libre de emisiones de dióxido de carbono como minerales básicos naturales que incluyen, pero no se limitan a óxido de calcio, óxido de magnesio, óxido de hierro, mineral de hierro, olivino que contiene un óxido metálico, serpentina que contiene un óxido metálico, depósitos ultramáficos que contienen óxidos metálicos y acuíferos salinos básicos subterráneos.
[0064] Además de dióxido de carbono capturado a través de la fijación quimiosintética del carbono, se puede capturar dióxido de carbono adicional y convertirlo en carbonatos o biominerales a través de la acción catalítica de los microorganismos Ralstonia sp. en determinadas realizaciones de la presente invención. Para realizaciones de la invención
que aumentan el carbono capturado a través de quimiosíntesis con secuestro de carbono mineral biocatalizado, el uso de microorganismos Ralstonia sp. capaces de soportar una solución con pH elevado en la que se favorece termodinámicamente el dióxido de carbono para precipitarse como carbonato puede ser ventajoso en determinados casos. Cualquier precipitado de carbonato o biomineral producido se puede retirar de manera periódica o continua del sistema usando, por ejemplo, técnicas de separación de sólido/líquido conocidas en la técnica de ingeniería de procesos.
[0065] Una característica adicional de determinadas realizaciones de la presente invención se refiere a los usos de productos químicos generados mediante el proceso quimiosintético de captura y fijación de carbono de determinadas realizaciones de la invención. Los productos químicos de determinadas realizaciones de la presente invención se pueden aplicar a usos que incluyen, pero no se limitan a los siguientes: en la producción de fertilizantes.
[0066] Una característica adicional de determinadas realizaciones de la presente invención se refiere a los usos de bioquímicos o biomasa producidos a través de la etapa o etapas de procedimiento quimiosintético de determinadas realizaciones de la presente invención. Los usos del producto de biomasa incluye: como una fuente de carbono para que fermentaciones a gran escala produzcan diversos químicos que incluyen, pero no se limitan a, encimas, antibióticos, aminoácidos, vitaminas, bioplásticos, glicerol o 1,3-propanodiol comercial; como una fuente de nutrientes para el crecimiento de otros microbios u organismos; como alimento para animales que incluyen, pero no se limitan a, reses, ovejas, pollos, cerdos o pescado; como fertilizante; como fuentes de sustancias farmacéuticas, medicinales o nutricionales; aditivos para suelos y estabilizantes para suelos.
[0067] Con el fin de proporcionar ejemplos específicos del proceso biológico y químico general para usar microorganismos quimioautótrofos para que capturen CO2 y produzcan biomasa y otros coproductos útiles, se describe a continuación un número de diagramas de flujo de procesos que describen diversas realizaciones de la presente invención. Estos ejemplos específicos no deberían considerarse como limitativos de la presente invención en ningún caso y se proporcionan con el único propósito de ilustración.
[0068] La figura 2 es un diagrama de flujo de procesos para una realización a modo de ejemplo de la presente invención para la captura de CO2 por quimioautótrofos oxidantes de hidrógeno y la producción de etanol. Se captura un gas de escape rico en dióxido de carbono de una fuente de emisión, como una planta eléctrica, una refinería o una cementera. Entonces el gas de escape se comprime y se bombea a digestores anaeróbicos cilíndricos que contienen uno o más quimioautótrofos acetogénicos oxidantes de hidrógeno como, pero sin limitarse a, los siguientes quimioautótrofos comparativos: Acetoanaerobium noterae, Acetobacterium woodii, Acetogenium kivui, Butyribacterium methylotrophicum, Butyribacterium rettgeri, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium acidi-urici, Clostridium autoethanogenum, Clostridium carboxidivorans, Clostridium formicoaceticum, Clostridium kluyveri, Clostridium ljungdahlii, Clostridium thermoaceticum, Clostridium thermoautotrophicum, Clostridium thermohydrosulfuricum, Clostridium thermosaccharolyticum, Clostridium thermocellum, Eubacterium limosum, Peptostreptococcus productus. El hidrógeno donador de electrones se añade continuamente al caldo de crecimiento junto con otros nutrientes requeridos para el crecimiento y el mantenimiento quimioautótrofo que se bombean al digestor. En determinadas realizaciones, la fuente de hidrógeno es un proceso libre de emisiones de dióxido de carbono. Esto podrían ser procesos electrolíticos o termoquímicos impulsados por tecnologías energéticas que incluyen, pero no se limitan a, fotovoltaica, solar térmica, eólica, hidroeléctrica, nuclear, geotérmica, geotérmica mejorada, térmica oceánica, energía de las olas oceánicas o mareomotriz. El dióxido de carbono actúa como un aceptor de electrones en la reacción quimiosintética. El caldo de cultivo se retira continuamente de los digestores y se hace fluir a través de filtros de membrana para separar la masa celular del caldo. Entonces, la masa celular se recicla de nuevo en los digestores o se bombea a las secadoras dependiendo de la densidad celular en los digestores que se monitoriza por un controlador. Entonces la masa celular dirigida a las secadoras se centrifuga y seca por evaporación. El producto de biomasa seco se recoge de las secadoras. El caldo libre de células que ha pasado a través de los filtros que retiran masa celular se dirige a recipientes donde el producto de etanol se destila y se hace pasar a través de un tamiz molecular para producir etanol anhidro usando técnicas habituales conocidas en la técnica de destilación. El caldo sobrante después de la destilación se somete entonces a cualquier tratamiento de retirada de desechos adicional que depende de la fuente de gas de escape. Entonces, el agua y los nutrientes restantes se devuelven a los digestores.
[0069] Se proporciona un modelo de proceso en las figuras 3, 4 y 5 para la realización de la figura 2. El balance de masa, el flujo de entalpía, el balance de energía y la rentabilidad de la planta se han calculado para esta [R.K. Sinnott, Chemical Engineering Design volumen 6, 4a ed. (Elsevier Butterworth-Heinemann, Oxford, 2005)] realización preferida para la presente invención. El modelo se desarrolló usando resultados establecidos en la literatura científica para los acetógenos oxidantes de H2 y para las etapas de procedimiento conocidas a partir de la técnica de ingeniería química. Las entradas para el modelo con respecto al rendimiento de los microorganismos extraídas de la literatura científica [Gaddy, James L., et al. "Methods for increasing the production of ethanol from microbial fermentation", patente estadounidense 7285402, 23 de octubre de 2007; Lewis, Randy S., et al. "Indirect or direct fermentation of biomass to fuel alcohol", solicitud de patente estadounidense 20070275447. 29 de noviembre de 2007; Heiskanen, H., Virkajarvi, I., Viikari, L., 2007: The effect of syngas composition on the growth and product formation of Butyribacterium methylotrophicum, 41: 362-367] para microorganismos acetogénicos era el siguiente: 1) estequiometría de reacción quimiosintética que produce etanol: 3 H2 CO2 -> 0,5C2H5OH 1,5 H2O; 2) conversión de H2 en cada paso por el biorreactor: 83 %; 3) estequiometría de la reacción secundaria del ácido acético: 2 H2 CO2 -> 0,5C2HsOH H2O; 4) tasa de crecimiento celular en estado estable de fase
de meseta ~ 0; 5) porcentaje de carbono fijo que pasa a etanol durante el estado estable: 99,99 %; 6) concentración de etanol en medio de crecimiento en estado estable: 10 gramos/litro; 7) productividad del etanol en estado estable: 10 gramos/litro/día; 8) concentración de ácido acético en estado estable: 2 gramos/litro; 9) concentración de masa celular en estado estable: 1,5 gramos/litro. El balance de masa indica que se producirá 1 tonelada de etanol por cada 2 toneladas de CO2 bombeado al sistema. Esto asciende a sobre 150 galones de etanol producido por tonelada de entrada de CO2. El balance de energía indica que por cada 1 GJ de entrada de energía química de H2 salen 0,8 GJ de energía química de etanol, es decir, se espera que la conversión química tenga una eficacia de alrededor del 80 %. La eficacia general de la producción de etanol a partir de H2 y CO2 incluyendo potencia eléctrica y calor del proceso se predice con el modelo para ser de aproximadamente el 50 %.
[0070] La figura 6 es un diagrama de flujo de procesos para un proceso comparativo que implica la captura de CO2 mediante quimiautótrofos oxidantes de azufre y la producción de biomasa y yeso. Se captura un gas de escape rico en dióxido de carbono de una fuente de emisión, como una planta eléctrica, una refinería o una cementera. Entonces el gas de escape se comprime y se bombea a digestores aeróbicos cilíndricos que contienen uno o más quimiautótrofos oxidantes de azufre como, pero sin limitarse a, Thiomicrospira crunogena, Thiomicrospira cepa MA-3, Thiomicrospira thermophila, Thiobacillus hydrothermalis, Thiomicrospira sp. cepa CVO, Thiobacillus neapolitanus, Arcobacter sp. cepa FWKO B. Uno o más donadores de electrones como, pero sin limitarse a, tiosulfato, ácido sulfhídrico o azufre se añaden continuamente al caldo de crecimiento junto con otros nutrientes requeridos para el crecimiento quimioautótrofo y se bombea aire al digestor para proporcionar oxígeno como un aceptor de electrones. El caldo de cultivo se retira continuamente de los digestores y se hace fluir a través de filtros de membrana para separar la masa celular del caldo. Entonces, la masa celular se recicla de nuevo en los digestores o se bombea a las secadoras dependiendo de la densidad celular en los digestores que se monitoriza por un controlador. Entonces la masa celular dirigida a las secadoras se centrifuga y seca por evaporación. El producto de biomasa seco se recoge de las secadoras. El caldo libre de células que ha pasado a través de los filtros que retiran masa celular se dirige a los recipientes donde se neutraliza con cal el ácido sulfúrico producido por el metabolismo quimiosintético, dando como precipitado yeso (CaSO4). La cal se puede producir en determinadas realizaciones mediante un proceso libre de emisiones de dióxido de carbono en vez de a través del calentamiento de piedra caliza. Procesos libres de emisiones de dióxido de carbono de estas características incluyen la recuperación de fuentes naturales de minerales básicos que incluyen, pero no se limitan a, minerales que contienen un óxido metálico, serpentina que contiene un óxido metálico, depósitos ultramáficos que contienen óxidos metálicos y acuíferos salinos básicos subterráneos. Se pueden usar bases alternativas para la neutralización en este proceso que incluyen, pero no se limitan a, óxido de magnesio, óxido de hierro o cualquier otro óxido metálico. El yeso se retira mediante técnicas de separación sólido-líquido y se bombea a las secadoras. El producto final es yeso seco. El caldo sobrante después de que se dé sulfato como precipitado se somete entonces a cualquier tratamiento de retirada de desechos adicional que depende de la fuente de gas de escape. Entonces, el agua y los nutrientes restantes se devuelven a los digestores.
[0071] La figura 7 es un diagrama de flujo de procesos para un proceso comparativo que implica la captura de CO2 mediante quimiautótrofos oxidantes de azufre y la producción de biomasa y de ácido sulfúrico y de carbonato de calcio mediante la reacción de Muller-Kuhne. Se captura un gas de escape rico en dióxido de carbono de una fuente de emisión, como una planta eléctrica, una refinería o una cementera. Entonces el gas de escape se comprime y se bombea a digestores aeróbicos cilíndricos que contienen uno o más quimiautótrofos oxidantes de azufre como, pero sin limitarse a, Thiomicrospira crunogena, Thiomicrospira cepa MA-3, Thiomicrospira thermophila, Thiobacillus hydrothermalis, Thiomicrospira sp. Cepa CVO, Thiobacillus neapolitanus, Arcobacter sp. Cepa FWKO B. Uno o más donadores de electrones como, pero sin limitarse a, tiosulfato, ácido sulfhídrico o azufre se añaden continuamente al caldo de crecimiento junto con otros nutrientes requeridos para el crecimiento quimioautótrofo y se bombea aire al digestor para proporcionar oxígeno como un aceptor de electrones. El caldo de cultivo se retira continuamente de los digestores y se hace fluir a través de filtros de membrana para separar la masa celular del caldo. Entonces, la masa celular se recicla de nuevo en los digestores o se bombea a las secadoras dependiendo de la densidad celular en los digestores que se monitoriza por un controlador. Entonces la masa celular dirigida a las secadoras se centrifuga y seca por evaporación. El producto de biomasa seco se recoge de las secadoras. El caldo libre de células que ha pasado a través de los filtros que retiran masa celular se dirige a los recipientes donde se neutraliza con cal (CaO) el ácido sulfúrico producido por el metabolismo quimiosintético, dando como precipitado yeso (CaSO4). La cal se puede producir en determinadas realizaciones mediante un proceso libre de emisiones de dióxido de carbono en vez de a través del calentamiento de piedra caliza. Procesos libres de emisiones de dióxido de carbono de estas características incluyen la recuperación de fuentes naturales de minerales básicos que incluyen, pero no se limitan a, minerales que contienen un óxido metálico, mineral de hierro, serpentina que contiene un óxido metálico, depósitos ultramáficos que contienen óxidos metálicos y acuíferos salinos básicos subterráneos. Se pueden usar bases alternativas para la neutralización en este proceso que incluyen, pero no se limitan a, óxido de magnesio, óxido de hierro o cualquier otro óxido metálico. El yeso se retira mediante técnicas de separación sólido-líquido y se bombea a kilns donde se lleva a cabo el proceso de Muller-Kuhne con la adición de carbón. La reacción neta para el proceso de Muller-Kuhne es la siguiente 2C 4CaSO4 ^ 2CaO 2CaCO3 4SO2. El CaCO3 producido se recoge y el CaO se recicla para su posterior neutralización. El gas SO2 producido se dirige a un reactor para el proceso de contacto donde se produce ácido sulfúrico. El caldo sobrante después de que se dé sulfato como precipitado se somete entonces a cualquier tratamiento de retirada de desechos adicional que depende de la fuente de gas de escape. Entonces, el agua y los nutrientes restantes se devuelven a los digestores.
[0072] La figura 8 es un diagrama de flujo de procesos para un proceso comparativo que implica la captura de CO2 mediante quimiautótrofos oxidantes de azufre y la producción de biomasa y de carbonato de calcio y el reciclado del tiosulfato donador de electrones mediante la reacción de Muller-Kuhne. Se captura un gas de escape rico en dióxido de carbono de una fuente de emisión, como una planta eléctrica, una refinería o una cementera. Entonces el gas de escape se comprime y se bombea a digestores aeróbicos cilíndricos que contienen uno o más quimiautótrofos oxidantes de azufre como, pero sin limitarse a, Thiomicrospira crunogena, Thiomicrospira cepa MA-3, Thiomicrospira thermophila, Thiobacillus hydrothermalis, Thiomicrospira sp. cepa CVO, Thiobacillus neapolitanus, Arcobacter sp. cepa FWKO B. El tiosulfato de calcio es el donador de electrones añadido continuamente al caldo de crecimiento junto con otros nutrientes requeridos para el crecimiento quimioautótrofo y se bombea aire al digestor para proporcionar oxígeno como un aceptor de electrones. El caldo de cultivo se retira continuamente de los digestores y se hace fluir a través de filtros de membrana para separar la masa celular del caldo. Entonces, la masa celular se recicla de nuevo en los digestores o se bombea a las secadoras dependiendo de la densidad celular en los digestores que se monitoriza por un controlador. Entonces la masa celular dirigida a las secadoras se centrifuga y seca por evaporación. El producto de biomasa seco se recoge de las secadoras. El caldo libre de células que ha pasado a través de los filtros que retiran masa celular se dirige a los recipientes donde se neutraliza con cal (CaO) el ácido sulfúrico producido por el metabolismo quimiosintético, dando como precipitado yeso (CaSO4). La cal se puede producir en determinadas realizaciones mediante un proceso libre de emisiones de dióxido de carbono en vez de a través del calentamiento de piedra caliza. Procesos libres de emisiones de dióxido de carbono de estas características incluyen la recuperación de fuentes naturales de minerales básicos que incluyen, pero no se limitan a, minerales que contienen un óxido metálico, serpentina que contiene un óxido metálico, depósitos ultramáficos que contienen óxidos metálicos y acuíferos salinos básicos subterráneos. Se pueden usar bases alternativas para la neutralización en este proceso que incluyen, pero no se limitan a, óxido de magnesio, óxido de hierro o cualquier otro óxido metálico. El yeso se retira mediante técnicas de separación sólido-líquido y se bombea a kilns donde se lleva a cabo el proceso de Muller-Kuhne con la adición de carbón. La reacción neta para el proceso de Muller-Kuhne es la siguiente 2C 4CaSO4 ^ 2CaO 2CaCO3 4SO2. El CaCO3 producido se recoge y el CaO se recicla para su posterior reacción. El gas SO2 producido se dirige a un reactor donde se hace reacción con CaO o algún otro óxido metálico como óxido de hierro y azufre para reciclar el tiosulfato (tiosulfato de calcio si se usa CaO). El caldo sobrante después de que se dé sulfato como precipitado se somete entonces a cualquier tratamiento de retirada de desechos adicional que depende de la fuente de gas de escape. Entonces, el agua y los nutrientes restantes se devuelven a los digestores.
[0073] La figura 9 es un diagrama de flujo de procesos para un proceso comparativo que implica la captura de CO2 mediante quimiautótrofos oxidantes de azufre y hierro y la producción de biomasa y de ácido sulfúrico usando una fuente insoluble de donadores de electrones. Se captura un gas de escape rico en dióxido de carbono de una fuente de emisión, como una planta eléctrica, una refinería o una cementera. Entonces el gas de escape se comprime y se bombea a un conjunto de digestores aeróbicos cilíndricos que contienen uno o más quimiautótrofos oxidantes de azufre como, pero sin limitarse a Thiomicrospira crunogena, Thiomicrospira cepa MA-3, Thiomicrospira thermophila, Thiobacillus hydrothermalis, Thiomicrospira sp. cepa CVO, Thiobacillus neapolitanus, Arcobacter sp. cepa FWKO B, y otro conjunto de digestores aeróbicos cilíndricos que contienen uno o más quimioautótrofos oxidantes de hierro como, pero sin limitarse a, Leptospirillum ferrooxidans o Thiobacillus ferrooxidans. Una o más fuentes insolubles de donadores de electrones como, pero sin limitarse a, azufre elemental, pirita u otros sulfuros metálicos se envían a un reactor anaeróbico para su reacción con una disolución de hierro férrico. Opcionalmente, quimioautótrofos como, pero sin limitarse a, Thiobacillus ferrooxidans y Sulfolobus sp. pueden estar presentes en este reactor para ayudar a biocatalizar el ataque de la fuente donadora de electrones insoluble con hierro férrico. Un lixiviado de hierro ferroso y tiosulfato fluye hacia fuera del reactor. El hierro ferroso se separa del flujo de procedimiento por precipitación. La disolución de tiosulfato se hace fluir entonces a los digestores oxidantes de S y el hierro ferroso se bombea a los digestores oxidantes de Fe como el donador de electrones para cada tipo de quimioautótrofo, respectivamente. También se bombean aire y otros nutrientes requeridos para el crecimiento quimioautótrofo a los digestores. El caldo de cultivo se retira continuamente de los digestores y se hace fluir a través de filtros de membrana para separar la masa celular del caldo. Entonces, la masa celular se recicla de nuevo en los digestores o se bombea a las secadoras dependiendo de la densidad celular en los digestores que se monitoriza por un controlador. Entonces la masa celular dirigida a las secadoras se centrifuga y seca por evaporación. El producto de biomasa seco se recoge de las secadoras. En el flujo de procedimiento oxidante de S, el caldo libre de células que ha pasado a través de los filtros que retiran masa celular se dirige a sistemas de recuperación de ácido sulfúrico como los empleados en las industrias de la refinería o destilería donde se concentra el producto de ácido sulfúrico del metabolismo quimiosintético. Este concentrado de ácido sulfúrico se concentra entonces además usando el proceso de contacto para proporcionar un producto de ácido sulfúrico concentrado. El caldo sobrante después de que se retire el sulfato y el ácido sulfúrico se somete entonces a cualquier tratamiento de retirada de desechos adicional que depende de la fuente de gas de escape. En el flujo de tratamiento oxidante de Fe, el caldo libre de células que ha pasado a través de los filtros que retiran masa celular se despoja entonces de hierro férrico mediante precipitación. Entonces, este hierro férrico se envía para su posterior reacción con la fuente insoluble de donadores de electrones (por ejemplo S, FeS2). Entonces, el agua y los nutrientes restantes en ambos flujos de proceso se devuelven a sus respectivos digestores.
[0074] La figura 10 es un diagrama de flujo de procesos para un proceso comparativo que implica la captura de CO2 mediante quimiautótrofos oxidantes de azufre e hidrógeno y la producción de biomasa, ácido sulfúrico y etanol usando una fuente insoluble de donadores de electrones. Se captura un gas de escape rico en dióxido de carbono de una fuente de emisión, como una planta eléctrica, una refinería o una cementera. Entonces el gas de escape se comprime y se bombea a un conjunto de digestores aeróbicos cilíndricos que contienen uno o más quimiautótrofos oxidantes de azufre
como, pero sin limitarse a, Thiomicrospira crunogena, Thiomicrospira cepa MA-3, Thiomicrospira thermophila, Thiobacillus hydrothermalis, Thiomicrospira sp. cepa CVO, Thiobacillus neapolitanus, Arcobacter sp. cepa FWKO B, y otro conjunto de digestores anaeróbicos cilindricos que contiene uno o más quimioautótrofos acetogénicos oxidantes de hidrógeno como, pero sin limitarse a, Acetoanaerobium noterae, Acetobacterium woodii, Acetogenium kivui, Butyribacterium methylotrophicum, Butyribacterium rettgeri, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium acidi-urici, Clostridium autoethanogenum, Clostridium carboxidivorans, Clostridium formicoaceticum, Clostridium kluyveri, Clostridium ljungdahlii, Clostridium thermoaceticum, Clostridium thermoautotrophicum, Clostridium thermohydrosulfuricum, Clostridium thermosaccharolyticum, Clostridium thermocellum, Eubacterium limosum, Peptostreptococcus productus. Una o más fuentes insolubles de donadores de electrones como, pero sin limitarse a, azufre elemental, pirita u otros sulfuros metálicos se envían a un reactor anaeróbico para su reacción con una disolución de hierro férrico. Opcionalmente, quimioautótrofos como, pero sin limitarse a, Thiobacillus ferrooxidans y Sulfolobus sp. pueden estar presentes en este reactor para ayudar a biocatalizar el ataque de la fuente donadora de electrones insoluble con hierro férrico. Un lixiviado de hierro ferroso y tiosulfato fluye hacia fuera del reactor. El hierro ferroso se separa del flujo de proceso por precipitación. Entonces, se hace fluir la disolución a los digestores oxidantes de S como un donador de electrones y el hierro ferroso se bombea a un reactor de electrólisis anaeróbico. En el reactor de electrólisis, se forma gas hidrógeno mediante la reacción electroquímica 2H+ Fe2+ ^ H2 Fe3+. La tensión de célula abierta para esta reacción es 0,77 V, que es sustancialmente inferior a la tensión de célula abierta para la electrólisis del agua (1,23 V). Adicionalmente, la cinética de la oxidación de hierro ferroso a hierro férrico es mucho más simple que la de la reducción de oxígeno en agua a gas oxígeno, por lo tanto la sobretensión para la reacción de hierro es inferior. Estos factores combinados proporcionan un ahorro de energía para la producción de gas hidrógeno usando hierro ferroso en comparación con la electrólisis de agua. El hidrógeno producido se introduce en los digestores oxidantes de H como el donador de electrones. Se bombean el resto de nutrientes requeridos para el crecimiento quimioautótrofo a los digestores. El caldo de cultivo se retira continuamente de los digestores y se hace fluir a través de filtros de membrana para separar la masa celular del caldo. Entonces, la masa celular se recicla de nuevo en los digestores o se bombea a las secadoras dependiendo de la densidad celular en los digestores que se monitoriza por un controlador. Entonces la masa celular dirigida a las secadoras se centrifuga y seca por evaporación. El producto de biomasa seco se recoge de las secadoras. En el flujo de tratamiento oxidante de S, el caldo libre de células que ha pasado a través de los filtros que retiran masa celular se dirige a sistemas de recuperación de ácido sulfúrico como se emplea en las industrias de la refinería o destilación donde se concentra el producto de ácido sulfúrico del metabolismo quimiosintético. Este concentrado de ácido sulfúrico se concentra entonces además usando el proceso de contacto para proporcionar un producto de ácido sulfúrico concentrado. El caldo sobrante después de que se retire el sulfato y el ácido sulfúrico se somete entonces a cualquier tratamiento de retirada de desechos adicional que depende de la fuente de gas de escape. En el flujo de procedimiento oxidante de H, el caldo libre de células que ha pasado a través de los filtros que retiran masa celular se dirige a recipientes donde el ácido acético producido se hace reaccionar con etanol para producir acetato de etilo, que se retira de la disolución por destilación reactiva. El acetato de etilo se convierte en etanol por hidrogenación. Parte, por ejemplo la mitad, del etanol se recicla para su posterior reacción en el proceso de destilación reactiva. La otra parte se hace pasar a través de un tamiz molecular que separa etanol anhidro por adsorción de etanol diluido. Entonces se recoge el etanol anhidro y el etanol diluido se devuelve para su posterior reacción en la etapa de destilación reactiva. El caldo sobrante después de que se destile reactivamente el ácido acético se somete entonces a cualquier tratamiento de retirada de desechos adicional que depende de la fuente de gas de escape. Entonces, el agua y los nutrientes restantes en ambos flujos de proceso se devuelven a sus respectivos digestores.
[0075] La figura 11 es un diagrama de flujo de procesos para un proceso comparativo que implica la captura de CO2 por quimioautótrofos oxidantes de hidrógeno y hierro y la producción de biomasa, sulfato férrico, carbonato de calcio y etanol usando carbón u otro hidrocarburo como la entrada de energía para la producción de donadores de electrones sin la liberación de CO2 gaseoso. Se captura un gas de escape rico en dióxido de carbono de una fuente de emisión, como una planta eléctrica, una refinería o una cementera. Entonces el gas de escape se comprime y se bombea a un conjunto de digestores aeróbicos cilíndricos que contienen uno o más quimioautótrofos oxidantes de hierro como, pero sin limitarse a, los siguientes quimioautótrofos comparativos:, Leptospirillum ferrooxidans o Thiobacillus ferrooxidans, y otro conjunto de digestores anaeróbicos cilíndricos que contiene uno o más de quimioautótrofos acetogénicos oxidantes de hidrógeno como, pero sin limitarse a, Acetoanaerobium noterae, Acetobacterium woodii, Acetogenium kivui, Butyribacterium methylotrophicum, Butyribacterium rettgeri, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium acidi-urici, Clostridium autoethanogenum, Clostridium carboxidivorans, Clostridium formicoaceticum, Clostridium kluyveri, Clostridium ljungdahlii, Clostridium thermoaceticum, Clostridium thermoautotrophicum, Clostridium thermohydrosulfuricum, Clostridium thermosaccharolyticum, Clostridium thermocellum, Eubacterium limosum, Peptostreptococcus productus. El gas hidrógeno producido por reacción de desplazamiento del agua se introduce en los digestores oxidantes de H como el donador de electrones. El sulfato ferroso sintetizado a través de la reacción de óxido ferroso (FeO), dióxido de azufre y oxígeno se bombea a los digestores oxidantes de Fe como el donador de electrones. Se bombean el resto de nutrientes requeridos para el crecimiento quimioautótrofo a los digestores para cada respectivo tipo de quimioautótrofo. El caldo de cultivo se retira continuamente de los digestores y se hace fluir a través de filtros de membrana para separar la masa celular del caldo. Entonces, la masa celular se recicla de nuevo en los digestores o se bombea a las secadoras dependiendo de la densidad celular en los digestores que se monitoriza por un controlador. Entonces la masa celular dirigida a las secadoras se centrifuga y seca por evaporación. El producto de biomasa seco se recoge de las secadoras. En el flujo de procedimiento oxidante de Fe, el caldo libre de células que ha pasado a través de los filtros que retiran masa celular se dirige a sistemas de recuperación de sulfato férrico como los empleados en la industria del acero, donde el
sulfato férrico producto del metabolismo quimiosintético se concentra para dar un producto vendible. El caldo sobrante después de que se haya retirado el sulfato se somete entonces a cualquier tratamiento de retirada de desechos adicional que depende de la fuente de gas de escape. En el flujo de procedimiento oxidante de H, el caldo libre de células que ha pasado a través de los filtros que retiran masa celular se dirige a recipientes donde el ácido acético producido se hace reaccionar con etanol para producir acetato de etilo, que se retira de la disolución por destilación reactiva. El acetato de etilo se convierte en etanol por hidrogenación. Parte, por ejemplo la mitad, del etanol se recicla para su posterior reacción en el proceso de destilación reactiva. La otra parte del etanol se hace pasar a través de un tamiz molecular que separa etanol anhidro por adsorción de etanol diluido. Entonces se recoge el etanol anhidro y el etanol diluido se devuelve para su posterior reacción en la etapa de destilación reactiva. El caldo sobrante después de que se destile reactivamente el ácido acético se somete entonces a cualquier tratamiento de retirada de desechos adicional que depende de la fuente de gas de escape. Entonces, el agua y los nutrientes restantes en ambos flujos de proceso se devuelven a sus respectivos digestores. Tanto el gas hidrógeno como el sulfato ferroso donadores de electrones están en última instancia generados mediante la oxidación de carbón o algún otro hidrocarburo. La oxidación provoca dos reacciones que se producen en paralelo, una es la reducción de mineral de hierro (Fe2O3) a óxido ferroso (FeO) acompañada por la liberación de monóxido de carbono que es agua cambiada para producir gas hidrógeno y dióxido de carbono, la otra es la reducción de yeso (CaSO4) a dióxido de azufre y óxido de calcio acompañada por la liberación de dióxido de carbono. El dióxido de carbono de ambos flujos de proceso se hace reaccionar con el óxido de calcio para producir carbonato de calcio. En paralelo con la producción de carbonato de calcio está la producción de sulfato ferroso a través de la reacción de óxido ferroso con dióxido de azufre y oxígeno.
[0076] Debe observarse que en todos los procesos comparativos descritos anteriormente con un producto de ácido sulfúrico, el ácido sulfúrico puede neutralizarse de manera alternativa, en determinadas realizaciones con una base que no es un carbonato (con el fin de no liberar dióxido de carbono en la reacción ácido-base) y este carbonato se puede producir mediante un proceso libre de emisiones de dióxido de carbono. Tales bases incluyen, pero no se limitan a, minerales básicos naturales que contienen un óxido metálico, serpentina que contiene un óxido metálico, depósitos ultramáficos que contienen óxidos metálicos, acuíferos salinos básicos subterráneos y óxido de calcio, óxido de magnesio, óxido de hierro o algún otro óxido metálico naturales. El sulfato de metal que es el resultado de la reacción ácido-base se puede recuperar del flujo de procedimiento y refinar preferiblemente para dar un producto vendible, mientras que el agua producida por la reacción ácido-base se puede reciclar de nuevo en los reactores de quimiosíntesis.
[0077] El siguiente ejemplo comparativo pretende ilustrar determinadas características o ventajas de la presente invención.
Ejemplo comparativo
[0078] Se proporciona un ejemplo comparativo específico para mostrar las capacidades de captura y fijación de carbono de microorganismos quimioautótrofos que desempeñan un papel central en el proceso general de captura y fijación de carbono de la presente invención.
[0079] Se realizaron pruebas en Thiomicrospira crunogena ATCC N° 35932 quimioautótrofa oxidante de azufre adquirida como un cultivo liofilizado a American Type Culture Collection (ATCC). Los organismos se hicieron crecer en el medio recomendado por ATCC - el caldo N° 1422. Este caldo consistía en los siguientes químicos disueltos en 1 litro de agua destilada:
NaCl, 25,1 g; (NH4)2SO4, 1,0 g; MgSO4.7 H2O, 1,5 g; KH2PO4, 0,42 g; NaHCOa, 0,20 g; CaCh.2 H2O, 0,29 g; tampón trisclorhidrato, 3,07 g; Na2S2O3.5H2O, 2,48 g; disolución de oligoelementos Visniac and Santer, 0,2 ml; rojo de fenol al 0,5 %, 1,0 ml;
[0080] El caldo N° 1422 se ajustó a un pH 7,5 y se esterilizó con filtro antes de la inoculación.
[0081] El cultivo liofilizado de Thiomicrospira crunogena se rehidrató de conformidad con el procedimiento recomendado por ATCC y se transfirió primero a un tubo de ensayo con 5 ml de caldo N° 1422 y se colocó en un agitador. Este cultivo se usó para inocular tubos de ensayo adicionales. Se añadió NaOH según fue necesario para mantener el pH cercano a 7,5. Finalmente, se transfirieron los cultivos desde el tubo de ensayo a matraces de 1 litro rellenados con 250 ml de caldo N° 1422 y se colocaron en una incubadora de matraces de agitación de New Brunswick Scientific Co. establecida a 25 grados Celsius.
[0082] La determinación de la tasa de crecimiento para Thiomicrospira crunogena se realizó usando el siguiente procedimiento: 1) Se inocularon tres matraces (1 litro) que contenían 95 ml de medio N° 1422 de ATCC con 5 ml de los cultivos anteriores diluidos a una densidad óptica de ~0,025. Se determinaron las densidades ópticas usando un espectrofotómetro Milton Roy Spectronic 1001; 2) Se retiraron muestras de dos ml de cultivos de cada matraz de t=0 a t=48 horas a intervalos de dos horas y se midió la densidad óptica. La densidad óptica se correlacionó con el peso seco pesándolo dos veces centrifugado y lavado, las muestras de caldo líquido de 1 mL se secaron al horno en platos de aluminio previamente pesados.
[0083] A partir de la curva de crecimiento se demostró que en la fase exponencial, el tiempo de duplicación para Thiomicrospira crunogena era una hora. Esto es un tiempo de duplicación de 4 a 6 veces más corto que las tasas de crecimiento más rápidas reportadas para algas en la fase exponencial [Sheehan et al., 1998, "A Look Back at the U.S. Department of Energy's Aquatic Species Program—Biodiesel from Algae"]. La densidad de masa celular presente en los experimentos en matraz cuando los microorganismos estaban en la fase de crecimiento exponencial alcanzó 0,5 g peso seco/litro, y en la fase de meseta la densidad de masa celular alcanzó 1 g peso seco/litro. Esto indica que en un sistema continuo que conserva el cultivo en el estado de crecimiento exponencial con retirada celular continua, estos microorganismos tienen el potencial para producir 12 g peso seco/litro/día de biomasa. Esto es aproximadamente de 4 a 12 veces más rápido que las tasas diarias más altas de producción de biomasa reportadas para algas [Valcent, 2007; CNN, 2008]. Adicionalmente, en un biorreactor continuo, deberían poder mantenerse en la fase exponencial densidades celulares sustancialmente más altas que lo que se pueden conseguir a nivel del matraz con T. crunogena. Este experimento apoya las tasas mucho más altas de fijación de carbono que se pueden alcanzar con microbios quimioautótrofos que con fotosintéticos.
[0084] Los artículos indefinidos "un" y "una," tal como se usan en el presente documento en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones, a menos que se indique claramente lo contrario, deberían entenderse como "al menos uno".
La expresión "y/o", tal como se usa en el presente documento en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones, debería entenderse como "cualquiera de los dos o ambos" de los elementos así unidos, es decir, elementos que están presentes de manera conjuntiva en algunos casos y que están presentes de manera disyuntiva en otros casos. Opcionalmente, puede haber otros elementos distintos de los elementos identificados específicamente por la oración "y/o", estén o no relacionados con los elementos específicamente identificados a menos que se indique claramente lo contrario. Por tanto, como un ejemplo no limitativo, una referencia a "A y/o B", cuando se usa de manera conjuntiva con un lenguaje abierto, como "que comprende" puede hacer referencia, en una realización, a A sin B (que incluye opcionalmente elementos distintos de B); en otra realización, a B sin A (que incluye opcionalmente elementos distintos de A); en aún otra realización, a tanto A como B (que incluye opcionalmente otros elementos); etc.
[0085] Tal como se usa en el presente documento en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones, debe entenderse que "o" tiene el mismo significado que "y/o", como se define anteriormente. Por ejemplo, cuando se separan elementos en una lista, "o" o "y/o" deben interpretarse como inclusivos, es decir, la inclusión de al menos uno, pero también incluyen más de uno, de un número o lista de elementos y, opcionalmente, elementos que no están en la lista adicionales. Únicamente los términos que indican claramente lo contrario, como "solo uno de" o "exactamente uno de" o, cuando se usan en las reivindicaciones, "que consiste en", harán referencia a la inclusión de exactamente un elemento de un número o lista de elementos. En general, el término "o" tal como se usa en el presente documento únicamente se interpretará como que indica alternativas exclusivas (es decir, "uno o el otro, pero no ambos") cuando va precedido por términos de exclusividad, como "cualquiera de los dos", "uno de", "solo uno de" o "exactamente uno de". "Que consiste esencialmente en", cuando se usa en las reivindicaciones, tendrá su significado común en el campo del derecho de patentes.
[0086] En las reivindicaciones, así como en la memoria descriptiva anterior, debe entenderse que todas las oraciones transitorias como "que comprende", "que incluye", "que porta", "que tiene", "que contiene", "que implica", "que mantiene" y similares son abiertas, es decir, que significan que incluye, pero no se limita a. Únicamente la oraciones transitorias "que consiste en" y "que consiste esencialmente en" deben ser oraciones transicionales cerradas o semicerradas, respectivamente.
Claims (9)
1. Método biológico y químico para la captura y conversión de dióxido de carbono en compuestos orgánicos que comprende:
introducir gas dióxido de carbono, solo y/o disuelto en una mezcla o disolución que comprende además un ion carbonato y/o ion bicarbonato en un entorno apropiado para conservar organismos quimioautótrofos y/o extractos de células quimioautótrofas; y
fijar el dióxido de carbono y/o el carbono inorgánico en compuestos orgánicos en el entorno mediante al menos una reacción de fijación de carbono quimiosintética utilizando microorganismos quimioautótrofos que comprenden una Ralstonia sp.;
en el que cuando la reacción de fijación de carbono quimiosintética está provocada por energía química y/o electroquímica proporcionada por donadores de electrones y aceptores de electrones que se han generado química y/o electroquímicamente y/o que se introducen en el entorno a partir de al menos una fuente externa al entorno, y en el que el donador de electrones comprende hidrógeno generado mediante un método de electrólisis seleccionado del grupo que comprende electrólisis de membrana de intercambio protónico, electrólisis de electrolito líquido, electrólisis de alta presión y electrólisis de alta temperatura de vapor y dicho aceptor de electrones comprende dióxido de carbono y/u oxígeno;
en el que el entorno apropiado para conservar organismos quimioautótrofos y/o extractos de células quimioautótrofas se conserva usando una afluencia y una retirada continuas de medio nutriente y/o biomasa, en un estado sustancialmente estable en el que se enfocan la población celular y los parámetros ambientales a un nivel apropiado u óptimo sustancialmente constante a lo largo del tiempo; y
en el que la biomasa se produce por la al menos una reacción quimiosintética y en el que la biomasa se separa del entorno y se trata para dar un producto que comprende un alimento para animales, un fertilizante, un aditivo para suelos, un estabilizante para suelos, una fuente de carbono para fermentaciones a gran escala, una fuente de nutrientes para el crecimiento de otros microbios u organismos y/o como una fuente de sustancias farmacéuticas, medicinales o nutricionales.
2. Método según la reivindicación 1, en el que la etapa de fijación está seguida por una o más etapas de procedimiento en las que productos químicos orgánicos y/o inorgánicos de quimiosíntesis son independientes de un flujo de proceso producido durante la etapa de fijación y se tratan para formar productos en una forma apropiada para almacenamiento, transporte y venta.
3. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dichos donadores de electrones y/o dichos aceptores de electrones se generan o reciclan usando fuentes de energía renovable, alternativa o convencional con emisiones bajas de gases de efecto invernadero y en el que dichas fuentes de energía se seleccionan de al menos una de fotovoltaica, solar térmica, eólica, hidroeléctrica, nuclear, geotérmica, geotérmica mejorada, térmica oceánica, energía de las olas oceánicas, energía mareomotriz y el reformado de metano compatible con la captura y el secuestro del carbono, o la gasificación o pirólisis del carbono o de la biomasa compatible con la captura y el secuestro del carbono.
4. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además hacer reaccionar dióxido de carbono con minerales para formar un producto de carbonato o bicarbonato.
5. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dióxido de carbono se introduce en la etapa de introducción y en el que el dióxido de carbono se disuelve en una disolución acuosa.
6. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el hidrógeno molecular actúa como un donador de electrones y en el que se evitan concentraciones de hidrógeno en aire de entre 4 y 74,5 %.
7. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, por el que el caldo de cultivo se retira continuamente del entorno apropiado para conservar organismos quimioautótrofos y se hace fluir a través de filtros de membrana para separar la masa celular del caldo.
8. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la biomasa producida por la al menos una reacción quimiosintética se centrifuga y después se seca por evaporación y en el que el producto de biomasa se recoge de las secadoras.
9. Método según la reivindicación 7 u 8, donde el agua y los nutrientes restantes independientes de la biomasa se devuelven al entorno apropiado para conservar los organismos quimioautótrofos.
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