Método para la producción aumentada de biogás en fermentadores anaerobios termofílicos.

Uso de una bacteria productora de hidrógeno, termofíllica, anaerobia,

acetogénica, para aumentar la producción de metano en un sistema productor de biogás, en donde la biomasa se fermenta en condiciones anaerobias y termofílicas por un consorcio que comprende los microorganismos degradantes de polímeros, microorganismos acetogénicos y microorganismos metanogénicos.

Método para la producción aumentada de biogás en fermentadores anaerobios termofílicos

La invención se relaciona con el uso de una bacteria productora de hidrógeno, termofíllica, anaerobia, acetogénica, para aumentar la producción de biogás de los sistemas anaerobios termofílicos en donde el sistema de fermentación del biogás se inocula con un cultivo de microorganismos. El microorganismo se selecciona para aumentar la producción de un intermediario facilitando el proceso y/o acelera la descomposición del sustrato, y de ese modo promueve los eventos microbianos que resultan en la producción de biogás. Mediante el uso de la invención se puede aumentar la eficacia de las plantas que están trabajando actualmente mediante una intervención sencilla, y la velocidad de retorno en el caso de las nuevas se puede disminuir significativamente.

Ha sido conocido por mucho tiempo que el biogás rico en metano se forma cuando el material orgánico a partir de diversas fuentes se descompone en condiciones anaerobias. Numerosas cepas microbianas participan en el proceso, estas cepas se pueden dividir en tres grupos principales. El primer grupo incluye las bacterias degradantes de polímeros; estas hidrolizan las biomoléculas grandes y las convierten en moléculas más pequeñas. Estos intermediarios constituyen el alimento para los acetógenos, que producen ácidos orgánicos, por ejemplo, acetato, propionato y butirato. En determinados casos los acetógenos producen también hidrógeno como un subproducto de su metabolismo. El tercer grupo de microbios que participan en la formación de biogás se llama el grupo de metanógenos. Actúan en la última etapa de la cadena metabólica y generan los componentes principales del biogás, es decir, metano y dióxido de carbono. Así, los microbios que participan en la degradación del material orgánico y en la generación de biogás dependen de la actividad metabólica de otros: forman un consorcio cuando funciona apropiadamente.

En las tecnologías de tratamiento anaerobio de los residuos, la utilización del biogás producido (metano) disminuye los costos operativos, lo que puede hacer la tecnología de tratamiento económicamente factible en sí misma. El número de instalaciones de tratamiento de residuos económicamente competitivas aumenta según se implementa ampliamente la gestión moderna del proceso y principios de ingeniería. Estas nuevas tecnologías utilizan cada vez más frecuentemente el concepto de producción fermentativa de biogás. Obviamente, el agotamiento gradual de las fuentes de energía fósiles aumenta la importancia de usar el metano obtenido a partir de recursos renovables para cubrir las necesidades futuras de energía. Por lo tanto, se está llevando a cabo un intenso trabajo de investigación y desarrollo en todo el mundo para mejorar las tecnologías de producción de energía a partir de residuos y biomasa.

Un problema importante a ser resuelto es la eficacia relativamente baja de los sistemas actuales de un fermentador, de otra manera baratos y sencillos.

Se conoce bien que la formación de metano a partir de materiales orgánicos complejos requiere la participación de microorganismos que se hidrolizan, acetogénicos y metanogénicos (ver, por ejemplo patente de los Estados Unidos núm. 5, 529, 692) .Se han realizado varios intentos para identificar las etapas que limitan la velocidad en el proceso de producción de biogás y determinar los factores que afectan el rendimiento de biogás. De acuerdo con la patente de Estados Unidos núm. 5, 651, 890, la etapa limitante de la velocidad generalmente se puede encontrar ya sea en la fase de degradación del polímero o es la última fase de formación de biogás, y la fase acetogénica consiste en las etapas rápidas en comparación con la primera y última fase.

De acuerdo con la técnica varios autores señalan que la acumulación de un producto metabólico generado por algunos de los microbios puede inhibir fácilmente la velocidad de todo el proceso.Además, se estableció también que pueden variar las condiciones óptimas para las etapas individuales de bioconversión. La patente europea núm. EP 1 236 688 va más allá y manifiesta que las condiciones requeridas por los microbios acetogénicos y metanogénicos son incompatibles. Por lo tanto se sugiere generalmente que las etapas individuales se deben llevar a cabo deliberadamente en recipientes de reacción separados o fermentadores (patentes de Estados Unidos núms. 5, 529, 692 y 6, 342, 378) o al menos en espacios de reacción divididos (patente EP 0, 262, 796) .

Una dificultad específica identificada en la patente EP 0 263 796 es el requisito de temperatura óptima diferente para las etapas acetogénica e hidrolítica (por encima de 37°C) y para la metanogénesis (más abajo de 37°C) .

De acuerdo con la patente de Estados Unidos con núm. 3, 383, 309 la velocidad de la metanogénesis aumentó cuando el gas hidrógeno se introdujo en el barro de agua residual fermentado. Otras fuentes informan sobre el efecto inhibidor de hidrógeno cuando se administra a partir de fuentes externas. El papel de hidrógeno en la tecnología de biogás es así ambigua.

Un equipo que trabaja en el Centro de Investigaciones Biológicas de la Academia Húngara de Ciencias y en el Departamento de Biotecnología de la Universidad de Szeged demostró primero que, usando residuo sólido orgánico doméstico comunitario, barro de agua residual o estiércol animal, el proceso microbiano complejo que conduce a la formación de biogás se puede acelerar bajo condiciones mesofílicas si interfieren en el proceso de producción de biogás de acuerdo con su método patentado de suministro del hidrógeno microbiano a la etapa metanogénica [Kovács, K., Cs. Bagyinka, I. Verebély, Process to increase the biogás production capability of mixed bacterium fermentation systems.

Patente húngara con núm. 195 978 (1985) ]. Los autores sugieren que en los sistemas mesofílicos de producción de biogás una de las etapas que limita la velocidad es la disponibilidad de hidrógeno, que se puede aumentar adicionando hidrógeno que producen las bacterias al consorcio natural. En dicha patente húngara, sin embargo, no se menciona que la sugerencia se puede aplicar en la producción termofílica de biogás.

A pesar del largo tiempo que ha transcurrido desde el anuncio de la patente original y el extenso trabajo de investigación y desarrollo que se ha hecho en todo el mundo para mejorar el rendimiento de las tecnologías de producción de biogás, según el conocimiento de los presentes inventores, nadie ha sugerido que la formación de metano en los sistemas termofílicos se puede aumentar por el suministro del hidrógeno producido in situ usando una bacteria productora de hidrógeno.

Como la composición microbiológica de los consorcios de producción termofílica de biogás es completamente diferente de la contraparte mesofílica, debido a la gran diferencia en la temperatura operativa, las conclusiones basadas en los hallazgos de los sistemas mesofílicos no se pueden extender a la producción termofílica de biogás. Por lo tanto, nuestra comprensión del proceso mesofílico no se puede extrapolar a la tecnología termofílica.

J. Sipma y otros examinaron los efectos de los iones CO, hidrógeno y sulfato en la conversión termofílica de hidrógeno y CO a 55°C, en condiciones anaerobias y usando aguas de residuos industriales y barro de agua residual. Se observó que, dependiendo de las condiciones ambientales y sustratos, el hidrógeno y dióxido de carbono se utilizaron por distintos microbios, por ejemplo, metanógenos, homo-acetógenos, reductores de sulfato [Sipma J y otros, Appl. Microbiol. Biotechnol. 64 (3) 421-428 (2004) ].

Kim y otros [Water Research 36 (2002) 4369-4385] llevaron a cabo un estudio comparativo de la digestión anaerobia mesofílica y termofílica para evaluar diversas configuraciones de reactores. Los autores usaron un cultivo anaerobio termofílico de barro obtenido a partir de un digestor anaerobio de barro para iniciar la fermentación. Este es un método bien establecido usado por los presentes inventores, así como otros muchos para acortar el período de puesta en marcha de los reactores. Dicho cultivo de inoculación se forma espontáneamente y su composición es indefinida. En la comparación de las configuraciones de reactor, Kim y otros, concluyeron que "La digestión de dos fases a ambas temperaturas no mostró ningún beneficio significativo".

Además, Kim y otros describieron sus resultados con un... [Seguir leyendo]

1. Uso de una bacteria productora de hidrógeno, termofíllica, anaerobia, acetogénica, para aumentar la producción de metano en un sistema productor de biogás, en donde la biomasa se fermenta en condiciones anaerobias y termofílicas por un consorcio que comprende los microorganismos degradantes de polímeros, microorganismos acetogénicos y microorganismos metanogénicos.

2. El uso de la reivindicación 1, en donde el sistema productor de biogás se inocula por un cultivo de la bacteria productora de hidrógeno, termofíllica, anaerobia, acetogénica durante el período de puesta en marcha o durante el período operativo del sistema de fermentación de biogás.

3. El uso de cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en donde la bacteria productora de hidrógeno, termofíllica, anaerobia, acetogénica pertenece al género Thermotoga, Thermococcus, Pyrococcus, Clostridium, Ruminococcus o Caldicellulosiruptor, preferentemente la bacteria productora de hidrógeno, termofíllica, anaerobia, acetogénica es Caldicellulosiruptor saccharolyticus.

4. El uso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la biomasa es

- excremento líquido, -barro de agua residual o -desperdicio vegetal, preferentemente desperdicio vegetal a partir de plantas de alta energía,

o cualquier mezcla de éstos.

5. El uso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en donde la bacteria productora de hidrógeno, termofílica, anaerobia, acetogénica se usa junto con un aditivo, preferentemente un material utilizable como un nutriente por cualquiera de los microorganismos y/o un material de área de superficie aumentada.

6. El uso de la reivindicación 5 en donde las células de la bacteria productora de hidrógeno, termofílica, anaerobia, acetogénica se sedimentan o se unen a un portador, preferentemente un portador inerte, de alta superficie específica, por ejemplo, perlita.

7. El uso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde la biomasa se fermenta en un fermentador que tiene un recipiente de reactor único o un espacio de reactor único.

8. El uso de la reivindicación 7, en donde la bacteria productora de hidrógeno, termofílica, anaerobia, acetogénica se usa en un método en donde la biomasa se fermenta en un sistema de operación continua, en donde el biogás producido y o la biomasa fermentada producida se extrae continuamente o múltiples veces, preferentemente en períodos de tiempo determinados, y la bacteria productora de hidrógeno, termofílica, anaerobia, acetogénica se alimenta al fermentador continuamente o múltiples veces, preferentemente en períodos de tiempo determinado.

9. El uso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde la bacteria tiene una actividad degradante de polímeros, preferentemente degradante de carbohidratos.

10. El uso de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la bacteria productora de hidrógeno, termofílica, anaerobia, acetogénica se usa en un método que comprende las etapas de

- iniciar la fermentación de la biomasa fijando su temperatura .

4. 70°C, preferentemente .

5. 60°C, e inocular opcionalmente la biomasa con un inóculo que comprende microorganismos degradantes de polímeroe, microorganismos acetogénicos y/o metanogénicos, -proporcionar condiciones anaerobias para la fermentación, -antes del inicio de la fermentación o durante la fermentación, inocular el sistema productor de biogás con un cultivo de bacteria productora de hidrógeno, termofílica, anaerobia, acetogénica, -continuar la fermentación .

4. 70°C, preferentemente .

5. 60°C, bajo condiciones anaerobias, -recoger o utilizar el biogás que contiene metano producido.