Procedimiento para el almacenamiento de energía solar en forma de combustibles ecológicos.

Procedimiento para el almacenamiento de energía solar en forma de combustibles ecológicos.

Procedimiento para el almacenamiento de la energía solar captada por un colector solar de concentración parabólico, al que se acopla un tanque conteniendo una solución salina y que actúa tanto soportando los posibles esfuerzos a los que se ve sometido el colector solar como para facilitar la temperatura y alimentar uno o más tanques de fermentación anaerobia de biomasa que contienen una bacteria de la especie Clostridium acetobutylicum, para obtener etanol, butanol y acetona por fermentación de dicha biomasa según una fermentación ABE, siendo estos subproductos de la fermentación extraídos en continuo desde los tanques de fermentación hasta unos tanques de almacenamiento donde se mezclan con otros combustibles, para obtener mezclas combustibles industriales de alto octanaje y capacidad energética, siendo el procedimiento aplicable a escala industrial, limpio y respetuoso con el medioambiente y de alta productividad.

Procedimiento para el almacenamiento de energía solar en forma de combustibles ecológicos.

La presente invención se refiere a un procedimiento para el almacenamiento de la energía procedente del sol en forma de combustibles ecológicos, entendiéndose en este sentido la obtención de combustibles a partir de energía solar y biomasa, cuyo resultado es un producto biocombustible.

Más concretamente, la presente invención se refiere a un procedimiento para el almacenamiento de la energía solar captada por un colector solar de concentración parabólico al que se acopla en su base un tanque conteniendo una solución salina y que actúa tanto soportando los posibles esfuerzos a los que se ve sometido el colector de concentración solar parabólico como para facilitar la temperatura y alimentar uno o más tanques de fermentación anaerobia de biomasa que contienen una bacteria de la especie Clostridium acetobutylicum, para la obtención de etanol, butanol y acetona por fermentación de dicha biomasa según una fermentación ABE, siendo estos subproductos de la fermentación extraídos en continuo desde los tanques de fermentación hasta unos tanques de almacenamiento donde se mezclan con otros combustibles, por ejemplo derivados del petróleo ya conocidos, para obtener mezclas combustibles industriales de alto octanaje y capacidad energética.

El Clostridium acetobutylicum (del latín acetum, vinagre y butylicum de butyrum, manteca, del griego boutyron) , también denominado organismo Weizmann (1874-1952) , rompe los azúcares y almidones y los utiliza como fuente de energía según un proceso de fermentación, dando como subproductos principalmente acetona, butanol y etanol y una cierta cantidad de hidrógeno gas recuperable, además de ácido acético, ácido láctico, ácidos propiónicos e isopropanol. Estas bacterias principalmente utilizan melazas como sustrato (Ni Y. y Sun Z. (2009) , Recent progress on industrial fermentative production of acetona-butanol-ethanol by Clostridium acetobutylicum in China, App. Microbiol. Bitechnol. 83: 415-423) y se trata de una especie anaeróbica obligada con forma de bastón que posee un cromosoma de 3, 94 Mpb y un plásmido de 192 Kpb. En cepas silvestres, éste plásmido resulta indispensable para la solventogénesis (Lee S.Y., Park J.H., Jang S.H., Nielsen L.K., Kim J. y Jung K.S. (2008) , Fermentative butanol, production by Clostridia. Biotechnol. Bioeng., 101: 209-228) . C. acetobutylicum tiene la ventaja de ser muy diverso en los sustratos que metaboliza, utilizando glucosa, galactosa, celobiosa, manosa, xilosa y arabinosa. Además, es también diversa la batería de enzimas que libera al medio, incluyendo a- y º-amilasas, a- y

º-glucosidasas, pululanasas, amilopululanasas, entre otras. Durante el proceso de producción de butanol con Clostridium la bacteria sufre un cambio fisiológico importante: los ácidos acético y butírico son liberados al medio durante la fase de crecimiento exponencial, siendo reabsorbidos al interior de la célula para ser metabolizados a butanol, acetona y, aunque en mucho menor medida, en etanol.

Esto se debe a que C. acetobutylicum carece de homeostasis al nivel de pH, por lo que depende íntimamente del pH extracelular. La presencia de ácidos en el medio puede provocar una pérdida del potencial protónico de la célula, inactivándola. El pH es muy importante durante la fermentación acetona-butanol, ya que la solventogénesis se inicia a un pH bajo. Sin embargo si éste se encuentra por debajo de 4, 5 (antes de que se forme una cantidad suficiente de ácidos orgánicos) , la solventogénesis será disminuida e improductiva. Una forma sencilla de incrementar el crecimiento, la utilización de los carbohidratos así como la producción de butanol es incrementando la capacidad tampón del medio. Dependiendo de las condiciones de cultivo y del tipo de sustrato empleado, las fermentaciones en lotes (batch) llevan de 2 a 6 días en completarse, alcanzando la concentración final total de solventes producidos de 12 a 20 g/l, pudiéndose separar éstos por destilación del medio de fermentación (Lee y col., 2008) .

La formación de butanol marca el inicio de una fase de esporulación en el Clostridium, causando la inactivación del cultivo. Se ha observado que los cultivos continuos con sistemas integrados de separación in situ dan los mayores títulos de butanol. Así, el grupo de Ezeji y col. (Ezeji T.C., Qureshi N. y Blaschek H.P. (2004) Acetone Butanol Ethanol (ABE) production from concentrated substrate: Reduction in substrate inhibition by fedbatch technique and product inhibition by

gas stripping, Appl. Microbiol. Biotechnol., 63: 653-658) obtuvo productividades de 0, 91 g/l/h de butanol eliminando éste del medio de cultivo activo mediante un gas portador. En 1983 Lin y Blaschek caracterizaron una cepa de C. acetobutylicum que alcanzó títulos de producción de butanol de 7, 9 g/l en un medio que contenía extracto de maíz al 6%. En ese trabajo, los autores informaron del desarrollo de mutantes tolerantes al butanol que obtuvieron mediante transferencias consecutivas a medios con cantidades gradualmente mayores de butanol. En efecto, una de sus cepas tolerantes reportó el máximo porcentaje de consumo de carbohidrato, el mejor rendimiento de conversión a butanol y la mayor concentración alcanzada (18, 6 g/l de butanol) . Sin embargo, como C. acetobutylicum posee una fermentación mixta, también se produjeron cantidades importantes de acetona y etanol, aún en la cepa adaptada (Lin Y.L. y Blaschek H.P., Butanol production by a butanol-tolerant strain of Clostridium acetobutylicum in extruded corn broth, Appl. Environ. Microbiol. 45: 966-973) . Utilizando cultivos lote con un 6% de glucosa y cepas de C. beijerinckii, se alcanzaron títulos de hasta 18, 6 g/l de butanol (Formanek J., Mackie R., Blaschek H.P. (1997) , Enhanced butanol production by Clostridium beijerinckii BA101 grown in semidefined P2 medium containing 6 percent maltodextrin or glucose, Appl. Environ. Microbiol., 63: 2306-2310) , aunque también se produjeron 8, 6 g/l de acetona.

Así, la aplicación industrial de la fermentación ABE es todavía muy limitada, tanto por el elevado costo de recuperación-separación de los productos como por su baja concentración, en particular por los bajos rendimientos de butanol, así como también por la inactivación del microorganismo durante la producción de acetona-butanoletanol. El interés reciente en la producción de butanol a partir de biomasa ha permitido reexaminar la fermentación ABE para incluir estrategias que permitan reducir o eliminar la toxicidad del butanol en el medio de cultivo o modificar genéticamente el organismo para obtener una mejor especificidad del producto y rendimiento (Chukwuemeka y col., 2007, BioTecnología, Año 2009, Vol. 13 No. 3) .

Por su parte, es sabido que el butanol puede emplearse per se como combustible en motores de combustión interna, aunque habitualmente se emplea en forma de mezcla con los combustibles convencionales. Debido a que se trata de un compuesto no polar, su similitud con la gasolina es mayor en comparación con el etanol. Actualmente la producción industrial de butanol a partir de fuentes naturales se basa en los desarrollos de DuPont, BP y Butalco, que está estudiando la producción de levaduras modificadas genéticamente para obtener bioetanol a partir de materiales celulósicos. Las ventajas del uso de butanol en comparación con el de etanol estriban esencialmente en que el primero tolera mejor una posible contaminación con agua y que es menos corrosivo que el etanol, lo que facilita su empleo en las instalaciones de distribución de gasolinas. Igualmente, las mezclas obtenidas a partir de butanol y combustibles convencionales tienen una menor tendencia a la separación de fases que el etanol, lo cual se ve favorecido por la sinergia en la presión de vapor de las co-mezclas de butanol y gasolinas con contenido en etanol, lo cual facilita su almacenaje y distribución.

En este sentido, el octanaje del n-butanol es similar al de las gasolinas, presentando un RON (Research Octane Number) de 96 y un MON (Motor Octane Number) de 78, lo que resulta en un número (R+M) /2 de 87, mientras que el t-butanol alcanza un RON de 105 y un MON de 89. Igualmente, cuando se desea una mayor viscosidad para el combustible final, las mezclas con butanol permiten obtener una viscosidad similar a la del combustible diesel. En la tabla siguiente se observan distintas características de los combustibles basados en gasolina y alcoholes actualmente empleados.

Combustible Densidad energética Calor vap. RON MON Visc.cinemática (20ºC)

Gasolina 32 MJ/l 0, 36 MJ/kg 91–99 81–89 0, 4–0, 8 cSt

Butanol 29, 2 MJ/l 0, 43 MJ/kg 96 78 3, 64 cSt

Etanol 19,... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para el almacenamiento de la energía solar captada por un colector solar de concentración parabólico caracterizado porque incluye las etapas de:

i) emplear la energía solar recogida en el colector solar para calentar un tanque que contiene una disolución 5 de sales inorgánicas que incluyen iones Fe2+ y K+;

ii) suplementar con esta disolución que incluye iones Fe2+ y K+ unos tanques de fermentación anaerobia que contienen Clostridium acetobutylicum así como una fuente de hidratos de carbono, llevándose a cabo el proceso de fermentación de tales hidratos de carbono bajo condiciones de suplementación al medio de los citados iones, y su conversión a acetona, etanol y butanol;

iii) extracción en continuo de los solventes y del H2 resultado del proceso de fermentación hacia correspondientes tanques de almacenamiento; y

iv) mezcla de los solventes obtenidos con otros alcoholes o combustibles convencionales y reutilización del hidrógeno gas obtenido como subpropducto.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la disolución empleada en la etapa ii) como fuente de iones Fe2+ y K+ es una disolución de sulfato ferroso y KCl tamponada con NaH2PO4 ·2H2O y Na2HPO3·12H2O

3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque la temperatura de calentamiento de la etapa i) alcanzada en el tanque conteniendo la disolución de iones Fe2+ y K+ oscila entre 35 y 50ºC.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque la temperatura es de 46ºC.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la fuente de hidratos de carbono de la etapa ii) es pulpa de yuca, patata o batata.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la extracción en continuo de los solventes de la etapa iii) se lleva a cabo por destilación fraccionada y porque el subproducto de hidrógeno gas se recicla industrialmente.