CONSORCIO MICROBIANO PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO.

Consorcio microbiano para la producción de hidrógeno.

La presente invención se refiere a un consorcio microbiano que comprende una cepa de Clostridium roseum de número de acceso a la Colección Española de Cultivos Tipo CECT8187 y una cepa de Streptomyces sp.

con número de acceso a la Colección Española de Cultivos Tipo CECT8185. Además la presente invención se refiere al uso de dicho consorcio para la producción de hidrógeno, ácidos orgánicos, disolventes o biofilms, y a un procedimiento para la obtención de dicho consorcio.

Consorcio microbiano para la producción de hidrógeno La presente invención se encuadra dentro del campo de la producción de biocombustibles a partir de microorganismos. Concretamente se refiere a un consorcio microbiano el cual presenta utilidad para la producción de hidrógeno, ácidos orgánicos y disolventes, así como a un procedimiento de obtención del consorcio.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La necesidad de reducir el uso de los combustibles fósiles está promoviendo la búsqueda y empleo de nuevas fuentes renovables de energía. Entre ellas, el hidrógeno (H2) se presenta como una de las energías más prometedoras, ya que es un combustible ambientalmente sostenible (porque su combustión produce solo agua) , su generación puede hacerse de forma renovable y puede ser convertido eficientemente en electricidad a través de la celda de combustible o utilizado directamente.

En la actualidad la producción anual de hidrógeno a nivel mundial supera los 50 millones de toneladas, sin embargo el 96% se produce a través de la conversión de los combustibles fósiles no renovables (Gas Natural, Petróleo y Carbón) , mientras que sólo el 4% corresponde a hidrógeno producido a partir de fuentes renovables, fundamentalmente por la vía de la electrólisis del agua.

Una de las formas de producir hidrógeno de forma renovable y sostenible, sería a través de la producción biológica a partir de residuos orgánicos y utilizando microorganismos (biohidrógeno) .

Esta forma está siendo en la actualidad muy estudiada por diversos grupos científicos, ya que tiene una serie de ventajas, entre las que destaca su bajo consumo energético (el reformado de gas natural para obtener hidrógeno debe hacerse a temperaturas superiores a los 850°C) , libera menor cantidad de gases con efecto invernadero en su producción (en el reformado de gas natural para producir 1 Kg de Hidrógeno se generan como residuos 11 Kg de CO2) , o el poder utilizar como materia prima los residuos sólidos o aguas residuales de diferentes orígenes, en lugar de otras fuentes de energía no renovables (como metano o carbón) , contribuyendo además a la depuración de este tipo de aguas y residuos.

En teoría la producción biológica de Hidrógeno a través de la actividad microbiana solamente puede llevarse a cabo por dos vías: Fotorreducción donde la energía luminosa es necesaria para que los microorganismos produzcan Hidrógeno. Esta vía es llevada a cabo por cianobacterias, bacterias fotosintéticas rojas y verdes, y por algunas algas verdes unicelulares; Fermentación oscura o fermentación ácida: Donde la materia orgánica es fermentada a Hidrógeno, Dióxido de Carbono y ácidos orgánicos (fundamentalmente ácidos grasos volátiles) . Esta vía es llevada a cabo por bacterias heterótrofas anaerobias (estrictas o facultativas) .

Existen varios factores que influyen en el proceso de producción de hidrógeno por la vía fermentación y que habría que considerar para conseguir que fuera eficientemente aplicado a escala industrial. Entre los más estudiados están la selección del inóculo adecuado y algunos parámetros operacionales tales como el pH, la temperatura y presión parcial de H2.

Desde el punto de vista microbiológico en la vía fermentativa existen dos problemas fundamentales: la relación entre las bacterias productoras y consumidoras de hidrógeno, y la influencia de la presión parcial de hidrógeno en las bacterias productoras de hidrógeno.

Las bacterias consumidoras de H2 disminuyen el rendimiento de las bacterias productoras de H2, lo que hace que en los reactores anaeróbicos que funcionan en la actualidad el porcentaje de hidrógeno no supere el 5%. Para evitarlo, se han utilizado diferentes estrategias que limiten el desarrollo de las bacterias consumidoras como por ejemplo mediante el uso de calor, ya que un choque térmico inicial promueve la producción de H2 eliminando los microorganismos consumidores de H2 no esporulantes y seleccionando bacterias productoras de H2 esporulantes (Sung et al., Proc. 2002 U.S. DOE Hydrogen Program Review. También se han ensayado otros métodos alternativos como tratamiento ácido, tratamiento alcalino, aireación parcial o inhibición mediante la adición de ácido 2bromoetanosulfónico, de cloroformo o de yodo-propano. Tales tratamientos pueden a su vez ir en mayor o menor medida en detrimento de los productores de H2 o no eliminar a algunos acetógenos consumidores de H2, por lo que su empleo se encuentra actualmente en discusión y sus resultados cuestionados (Zhu, H., Beland, M., 2006, Int J Hydrogen Energy 31, 1980-1988) ; Hu and Chen, Int J Hydrogen Energ. 2007, 32:3266-3273) .

Partiendo de inóculos microbianos complejos que llevan a cabo la digestión anaerobia existen dos formas fundamentales de producir H2: favoreciendo la acumulación de H2 (habitualmente escaso) en consorcios anaerobios degradadores de materia orgánica o mediante el aislamiento de bacterias productoras de H2 a partir de ecosistemas anaerobios, que a su vez se podrían mezclar con otros microorganismos para formar consorcios artificiales.

ES 2 456 776 Al

La acumulación de H2 se puede consigue mediante la inhibición de microorganismos consumidores de H2 de la digestión anaerobia. El establecimiento de un tipo de consumidor de H2 depende principalmente del tipo de inóculo, la concentración de H2, la fuente de carbono, la solubilidad del aceptor de electrones, etc. pero en la mayoría de ambientes anaerobios las bacterias metanogénicas hidrogenotróficas son el grupo de microorganismos consumidores de H2 más común Valdez-Vazquez I, 2009.. International Journal of Hydrogen Energy 34 (9) : 36393646) . Por ello, para la acumulación de H2 se intenta inhibir la metanogénesis. En la práctica se ha visto, en efecto, que un pH entre 5, 5 y 6, 5, tiempos de retención hidráulica cortos (<6h) , los tratamientos por choque térmico (80100ºC 2-3h) y los inhibidores como el acetileno son eficientes minimizando la pérdida de H2 por microorganismos metanógenicos en sistemas no estériles Valdez-Vazquez I, 2009.. International Journal of Hydrogen Energy 34 (9) : 3639-3646) . Mediante la inhibición de microorganismos consumidores de H2, por tanto, se consiguen comunidades microbianas productoras de H2 estables. Numerosos autores estudian la estructura, diversidad y dinámica de estas comunidades ya que profundizar en el funcionamiento de los consorcios productores de H2 es esencial para mejorar la eficiencia de este proceso. En estudios recientes se ha visto que los metabolitos más comúnmente formados durante la fermentación oscura por consorcios, son el acetato, propionato, butirato, etanol y butanol lo que sugiere que especies del género Clostridium sean las predominantes en estos sistemas productores de H2 ( Lay, 2000, Bioechnol Bioeng 68, 269-78) . En estudios de enriquecimiento de inóculos por choque térmico y acidificación, se observó mediante microscopía electrónica de barrido, que los gránulos productores de H2 estaban típicamente compuestos por bacterias de forma bacilar formadoras de esporas y bacilos fusiformes, sugiriendo que las especie dominante era Clostridium sp. junto con Bacillus Fang HHP, Liu H, Zhang T. 2002, Biotechnol Bioeng 78, 44–52) .

El enfoque alternativo a la manipulación de consorcios degradadores de materia orgánica para la producción de biohidrógeno es el aislamiento de bacterias que liberan H2 como subproducto de su metabolismo fermentativo, es decir, la producción de H2 por cultivos aislados puros. Diversos autores han estudiado la producción de H2 por cepas aisladas. (Wang et al. J Appl Microbiol. 2007, 103:1415-1423) y Chen Chen et al. 2006 Int. J. Hydrogen Ener. 31, 2170-2178., aislaron distintas cepas de Clostridium muy eficientes en la producción de H2. También se han aislado varias cepas de Enterobacter y Thermoanaerobacterium) . Además del aislamiento y la caracterización de cepas productoras de H2, algunos autores han trabajado con cultivos puros en estudios en continuo con reactores. (Zhang et al. Process Biochem 2006, 41, 2118–2123) , por ejemplo, estudiaron la producción de H2 por un cultivo puro de Clostridium acetobutylicum en un reactor de filtro percolador.

En el proceso de producción de biohidrógeno a partir de cultivos puros hay que tener en cuenta que la cepa utilizada puede estar especializada en la degradación de un tipo de compuestos por lo que no podría utilizar sustratos complejos. Con cultivos puros será por tanto necesario usar sustratos simples, lo cual dificulta trabajar con residuos. No se dará la degradación total de materia orgánica ya que habrá acumulación intermediarios al faltar las últimas etapas de la degradación.

Tanto los estudios de estructura, diversidad y dinámica... [Seguir leyendo]

1. Consorcio microbiano que comprende la cepa H5 de Clostridium roseum de número CECT 8187 y la cepa EJ1 de Streptomyces sp. de número CECT 8185.

2. Consorcio microbiano según la reivindicación 1, que además comprende al menos otra cepa del género Clostridium.

3. Consorcio microbiano según la reivindicación 2 donde la cepa del género Clostridium es la cepa H1 de número CECT8186 de Clostridium saccharobutylicum, la cepa R6 de número CECT8188 de Clostridium butyricum y/o la cepa RT2 de número CECT8189 de Clostridium diolis.

4. Composición que comprende un consorcio microbiano según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3.

5. Uso del consorcio microbiano según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 o de una composición según la reivindicación 4 para la producción de hidrógeno.

6. Uso del consorcio microbiano según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 o de una composición según la reivindicación 4 para la producción de ácidos orgánicos.

7. Uso según la reivindicación 6 donde los ácidos orgánicos son ácido acético, ácido butírico, ácido propiónico, ácido láctico, ácido fórmico y/o ácido succínico.

8. Uso del consorcio microbiano según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 o de una composición según la reivindicación 4 para la producción de disolventes.

9. Usó según la reivindicación 8 donde los disolventes son etanol, metanol, acetona y/o butanol.

10. Uso según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9 donde la producción de hidrógeno, de ácidos orgánicos y/o de disolventes tiene lugar por fermentación.

11. Uso del consorcio microbiano o de la composición según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 10 donde el sustrato inicial son residuos urbanos, residuos industriales y/o residuos agroindustriales.

12. Uso del consorcio microbiano según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 o de una composición según la reivindicación 4 para formación de biopelículas.

13. Procedimiento de obtención de una cepa altamente productora de hidrógeno que comprende:

a) cultivar en un bioreactor en condiciones aerobias una muestra de lodo,

b) aislar colonias presentes en el lodo de (a) , y

c) cultivar las colonias de (b) y seleccionar las cepas más productoras, caracterizado porque se lleva a cabo en condiciones de bajo vacío.

14. Procedimiento según la reivindicación 13 donde la cepa altamente productora aislada en el paso (c) es la cepa H5 de Clostridium roseum CECT8187.

15. Procedimiento de obtención de un consorcio microbiano que comprende obtener una cepa altamente productora de hidrógeno según la reivindicación 14 que además comprende:

d) cultivar lodo granular triturado en condiciones aerobias e) seleccionar los flóculos formados f) aislar en placa el microorganismo formador de los flóculos, que corresponde con Streptomyces sp.

CECT8185

g) mezclar las cepas de los pasos (c) y (f) .

16. Procedimiento según la reivindicación 15 donde en el paso (g) se mezcla además al menos otra cepa del género Clostridium.

17. Procedimiento según la reivindicación 16 donde la cepa del género Clostridium es la cepa H1 de número CECT8186 de Clostridium saccharobutylicum, la cepa R6 de número CECT8188 de Clostridium butyricum y/o la cepa RT2 de número CECT8189 de Clostridium diolis.