Método para la producción combinada de butanol e hidrógeno.

Procedimiento para la producción combinada de butanol e hidrógeno a partir de biomasa,

que comprende lasetapas de:

a) fermentar la biomasa para obtener butanol en una primera mezcla de reacción;

b) eliminar el butanol de la primera mezcla de reacción para obtener un efluente; y

c) usar el efluente de la etapa b) como sustrato en una segunda mezcla de reacción en un procedimiento deproducción fermentativa de hidrógeno.

Método para la producción combinada de butanol e hidrógeno La presente invención se refiere a un método para la producción combinada de butanol, en particular acetonabutanol-etanol (ABE) e hidrógeno a partir de la biomasa.

Los biocombustibles son combustibles renovables elaborados a partir de materia vegetal más que de combustibles fósiles. En la actualidad los principales biocombustibles líquidos son el etanol y el biodiesel. Otros biocombustibles potenciales son el butanol y el hidrógeno.

El butanol es un biocombustible que tiene propiedades superiores con respecto al bioetanol. En primer lugar, las bacterias que producen butanol, o solventogénicas, aseguran la conversión de las hexosas así como de las pentosas, en comparación con las levaduras que producen etanol que solo usan hexosas. De esta forma, la utilización total de una segunda generación de biomasa llega a estar al alcance. En segundo lugar, el butanol puede aplicarse como aditivo para combustibles en el mercado en crecimiento de los motores de diésel, en comparación con el etanol que solo puede ser empleado en motores de gasolina. Además, el butanol puede ser usado para evitar la evaporación del etanol en mezclas de etanol-gasolina. Finalmente, el butanol es un componente fundamental de la industria química.

El hidrógeno es el combustible del futuro en el que las células de combustible reemplazarán a los motores de combustión debido, entre otros, a su mayor eficiencia en la conversión de la energía. Como en el caso del butanol, el hidrógeno es un producto importante en la industria química. El hidrógeno es producido por varias bacterias anaeróbicas facultativas y estrictas a varias temperaturas.

Para el butanol y el hidrógeno se encuentran aplicaciones en el mercado de los biocombustibles en vehículos de automoción así como en aplicaciones estacionarias y en el mercado de productos con fines industriales.

La búsqueda de métodos para la producción de biocombustibles a partir de la biomasa se basa en la actualidad en varios procedimientos termoquímicos y biológicos. La composición intrínseca de la biomasa rige la adecuación del procedimiento. Los procedimientos termoquímicos son adecuados para biomasas con un contenido acuoso bajo (< 20%) y un elevado contenido en lignina y los procedimientos biológicos (anaeróbicos) son más adecuados para biomasas húmedas y biomasas con un elevado contenido en carbohidratos.

Entre los procedimientos biológicos se puede hacer una distinción entre los productos, principalmente biogás (metano) , etanol, acetona-butanol-etanol (ABE) e hidrógeno.

La fermentación ABE es un procedimiento que usa la fermentación bacteriana para producir acetona, butanol, etanol y, en menor cantidad, iso-propanol e hidrógeno a partir de una sustancia que contiene carbohidratos. El nombre de fermentación ABE usado en la parte siguiente de la presente memoria, se origina en el pasado cuando todo el énfasis se ponía en la producción de ABE. El procedimiento es anaeróbico. Generalmente utiliza clostridios sacarolíticos solventogénicos.

Muchos clostridios producen acetona, butanol y etanol a partir de carbohidratos, es decir: almidón, glucosa, xilosa y otros (oligo) sacáridos. Otros productos son hidrógeno, CO2, isopropanol y ácido butírico. El butanol es el producto con el valor más elevado y la mayoría de las investigaciones actuales se dedican a la optimización de la fermentación ABE para la producción de butanol. En la actualidad, el butanol se considera principalmente como un biocombustible para ser añadido, después de su derivatización, al diésel. Adicionalmente, el butanol se puede añadir a mezclas de gasolina-etanol para evitar la evaporación del etanol.

En un lote típico de fermentación con producción de acetona-butanol-etanol (ABE) , el procedimiento se caracteriza por dos fases. En la primera, denominada fase acidogénica, los sacáridos se convierten en ácidos acético y butírico y en hidrógeno, acompañado por una disminución en valor del pH del cultivo. En la segunda, denominada fase solventogénica, los azúcares y algunos de los ácidos se convierten en acetona, butanol y etanol, acompañado por un aumento del pH. Las concentraciones típicas después de la fermentación por lotes son 15-19 g/L de butanol, 4-6 g/L de acetona y ≤1 g/L de etanol. Sin embargo, el butanol es tóxico y las bacterias mueren a concentraciones por encima de 20-25 g/L de butanol.

Un problema típico que puede ocurrir en un procedimiento por lotes se denomina “choque ácido”. Cuando se produce el choque ácido, tiene lugar un producción en exceso de ácido sin un cambio significativo a la fase solventogénica. Para evitar el choque ácido de las bacterias, la concentración del sustrato es generalmente de aproximadamente 6-8% (p/v) de carbohidratos. Esta concentración relativamente elevada de sustrato también es necesaria para forzar a los clostridios a producir ABE durante la fermentación en continuo.

Para la producción industrial de ABE, el principal interés está en la fermentación en continuo. Un importante inconveniente encontrado en la fermentación en continuo es el desaprovechamiento de sustrato debido a la necesidad de concentraciones elevadas de sustrato para evitar el choque ácido. Como resultado, hay una

concentración residual de sustrato de aproximadamente 2-5 g/L de carbohidrato que debe ser desechada. Una opción habitual es enviar este residuo a una unidad de fermentación de biogás en la que se produce metano.

Hasta el momento, la recuperación de los ABE producidos es por destilación pero se hacen grandes esfuerzos para encontrar vías alternativas para las operaciones posteriores de transformación (separación en membrana, arrastre con gas, etc.) . La cantidad de H2 es típicamente de aproximadamente 100 y 200 Nm3 por 1000 kg de carbohidrato. La producción de H2 está en competición con la producción de butanol, es decir más hidrógeno implica menos butanol.

En comparación con la fermentación ABE, la producción fermentativa de hidrógeno está mucho menos estudiada. El interés por la producción de hidrógeno proviene principalmente de la esperada introducción de células de combustible que necesitan hidrógeno como materia prima. Las células de combustible suponen una gran promesa en lo que respecta a una eficiencia muy elevada en la conversión de la energía química en energía eléctrica (> 60% en comparación con 30-40% con los motores de combustión) . Como resultado se prevé un cambio a una economía basada en el hidrógeno en la que el hidrógeno debe obtenerse de fuentes renovables para soportar su sostenibilidad.

Hay dos procedimientos biológicos claramente diferentes para la producción de hidrógeno, principalmente la producción de hidrógeno a partir de la luz solar y la producción fermentativa de hidrógeno a partir de la biomasa. Esta invención se refiere a la producción de hidrógeno a partir de la biomasa.

Muchos microorganismos son capaces de producir hidrógeno a partir de mono-y oligo-sacáridos, almidón y (hemi) celulosa en condiciones anaeróbicas. La producción anaeróbica de hidrógeno es un fenómeno habitual que se produce durante el procedimiento de la digestión anaeróbica. En ella, los microorganismos productores de hidrógeno están en sintropía con bacterias metanogénicas que consumen el hidrógeno tan pronto como se produce. De esta forma, el hidrógeno no se acumula y el metano es el producto final. Desacoplando la producción de hidrógeno de la producción de metano, se consigue que el hidrógeno esté disponible para su recuperación y explotación.

Los inventores han descrito previamente el uso de bacterias termófilas extremas (temperatura > 70ºC) para la producción de hidrógeno y la combinación de una etapa fermentativa con una fermentación foto-heterotrófica para aumentar el rendimiento global. Las bacterias mesófilas muestran rendimientos bastante bajos para el hidrógeno debido al hecho de que estas bacterias pueden tener vías metabólicas con otros productos finales reducidos competidores (p. ej., butanol o etanol) . Las bacterias termófilas muestran rendimientos que pueden ser casi dos veces superiores (p. ej., > 300 Nm3 por 1000 kg de carbohidrato) , especialmente cuando el otro producto final único es el ácido acético.

Para las bacterias productoras de hidrógeno, la concentración óptima del sustrato en la fermentación por lotes para un rendimiento y productividad elevados de hidrógeno es relativamente baja.

Según la invención, se encontró que los inconvenientes de la producción de butanol como por ejemplo en el fermentación ABE, es decir rendimiento disminuido con concentraciones... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la producción combinada de butanol e hidrógeno a partir de biomasa, que comprende las etapas de:

a) fermentar la biomasa para obtener butanol en una primera mezcla de reacción;

b) eliminar el butanol de la primera mezcla de reacción para obtener un efluente; y

c) usar el efluente de la etapa b) como sustrato en una segunda mezcla de reacción en un procedimiento de producción fermentativa de hidrógeno.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el butanol se produce en un procedimiento de producción de acetona-butanol-etanol (ABE) .

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque al menos parte de los productos finales del procedimiento de producción fermentativa de hidrógeno se elimina de la segunda mezcla de reacción para obtener un efluente que comprende un ácido orgánico cuyo efluente se devuelve a la primera mezcla de reacción.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque el ácido orgánico es acetato o butirato.

5. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque el procedimiento de producción de ABE usa microorganismos, incluyendo microorganismos modificados genéticamente.

6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 2-5, caracterizado porque el procedimiento de producción de acetona-butanol-etanol (ABE) usa especies de clostridios solventogénicos, preferiblemente elegidas entre el grupo que consiste en Clostridium acetobutylicum, Clostridium beijerinckii, Clostridium saccharobutylicum y Clostridium butylicum.

7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque el procedimiento de producción fermentativa de hidrógeno usa bacterias mesófilas, termófilas, termófilas extremas o hipertermófilas, incluyendo microorganismos modificados genéticamente.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque las bacterias se eligen entre el grupo que consiste en Caldicellulosiruptor saccharolyticus, Caldicellulosiruptor owensensis, Caldicellulosiruptor kristjanssonii, Thermotoga elfii, Thermotoga neapolitana, Thermotoga marítima y Clostridium thermocellum.

9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque la concentración residual de carbohidratos en el efluente de la etapa b) es 2-10 g/L.

10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-9, caracterizado porque la etapa c) comprende una fermentación termófila que se aplica para la revitalización de la población de clostridios en la producción de ABE.

11. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-10, caracterizado porque el procedimiento comprende además la recuperación del etanol del efluente del procedimiento de la etapa a) .

12. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-11, caracterizado porque el procedimiento comprende además la recuperación del etanol del efluente del procedimiento de la etapa c) .