Mejora de la captura del carbono en la fermentación.

Procedimiento para incrementar la captura de carbono en un proceso de fermentación,

en donde el procedimiento incluye la gasificación de una materia prima para producir un sustrato de gas de síntesis en un gasificador y poner en contacto al menos una porción del sustrato de gas de síntesis con uno o varios microorganismos en un biorreactor para producir uno o varios productos, en donde los productos son uno o varios ácidos y/o alcoholes, en donde una corriente saliente sale del biorreactor, y en donde al menos una porción de la corriente saliente se envía al interior del gasificador.

Mejora de la captura del carbono en la fermentación Campo de la invención Esta invención se refiere a los sistemas y procedimientos para mejorar la captura global de carbono y/o mejorar la eficacia global de procesos que incluyen la fermentación microbiana. En concreto, la invención se refiere a la mejora de la captura del carbono y/o a la mejora de la eficacia de procesos que incluyen la fermentación microbiana de un sustrato de gas de síntesis (o sintegás) que comprende CO.

Antecedentes de la invención

El etanol se está convirtiendo rápidamente en un importante combustible de transporte líquido rico en hidrógeno en todo el mundo. El consumo mundial de etanol en 2005 se estimó que era de 12.200 millones de galones. También se ha predicho que el mercado mundial para la industria del etanol para combustible crecerá considerablemente en el futuro debido a un incremento del interés por el etanol en Europa, Japón, EE. UU. y varias naciones en vías de desarrollo.

Por ejemplo, en EE. UU., el etanol se utiliza para producir E10, una mezcla de etanol al 10% en gasolina. En las mezclas E10, el componente etanol actúa como un oxigenante, lo que incrementa la eficacia de la combustión y reduce la producción de contaminantes del aire. En Brasil, el etanol satisface aproximadamente el 30% de la demanda de combustible para transporte, tanto en forma de un oxigenante mezclado en gasolina como en forma de un combustible puro por méritos propios. De igual forma, en Europa, las preocupaciones medioambientales por las consecuencias de las emisiones de gases de efecto invernadero han sido el estímulo para que la Unión Europea (UE) imponga a los países miembros un objetivo obligatorio con respecto al consumo de los combustibles sostenibles para transporte, tales como un etanol procedente de biomasa.

La inmensa mayoría del etanol para combustible se produce mediante procedimientos tradicionales de fermentación con levaduras que utilizan como la principal fuente de carbono los glúcidos procedentes de cultivos, tales como la sacarosa extraída de la caña de azúcar o el almidón extraído de cultivos de maíz. Sin embargo, el coste de estas 25 materias primas para los glúcidos está influida por su valor como alimento para los humanos o como pienso para animales, mientras que el cultivo de plantaciones productoras de almidón o sacarosa para la producción de etanol no es económicamente sostenible en todas las regiones del planeta. Por lo tanto, es interesante desarrollar tecnologías que conviertan en etanol para combustible los recursos de carbono más abundantes y/o de menor coste.

El CO es un subproducto importante, rico en energía y de bajo coste, de la combustión incompleta de materia orgánica, tal como el carbón o el petróleo y los productos derivados del petróleo. Por ejemplo, se ha informado de que la industria del acero en Australia produce y libera a la atmósfera aproximadamente 500.000 toneladas de CO al año. Además, o como alternativa, las corrientes gaseosas ricas en CO (gas de síntesis) se pueden producir mediante la gasificación de materiales carbonosos, tales como carbón, petróleo y biomasa. Los materiales carbonosos se pueden convertir en productos gaseosos, entre ellos CO, CO2, H2 y, en menor cantidad, CH4, mediante la gasificación con el uso de numerosos procedimientos, entre ellos la pirólisis, craqueo del alquitrán y gasificación del calcinado. El gas de síntesis también se puede producir en un proceso de reformado con vapor, tal como el reformado con vapor de metano o gas natural.

Los procesos catalíticos se pueden utilizar para convertir los gases que consisten principalmente en CO y/o CO e hidrógeno (H2) en una serie de combustibles y productos químicos. Los microorganismos también se pueden utilizar para convertir estos gases en combustibles y productos químicos. Estos procesos biológicos, aunque generalmente son más lentos que las reacciones químicas, tienen varias ventajas sobre los procesos catalíticos, entre ellos mayor especificidad, mayor rendimiento, menor coste energético y mayor resistencia al envenenamiento.

La capacidad de los microorganismos para crecer en CO como única fuente de carbono se descubrió por primera vez en 1903. Más tarde se determinó que era una propiedad de los organismos que utilizan la vía bioquímica de la 45 acetilcoenzima A (acetil-CoA) del crecimiento autótrofo (también conocido como la vía de Woods-Ljungdahl y la vía de la monóxido de carbono deshidrogenasa/acetil-CoA sintasa (CODH/ACS) ) . Un gran número de microorganismos anaerobios, entre ellos los microorganismos carboxidótrofos, fotosintéticos, metanógenos y acetógenos, se ha demostrado que convierten metabólicamente el CO en varios productos finales, a saber, CO2, H2, metano, n-butanol, acetato y etanol. Mientras que utilicen el CO como la única fuente de carbono, tales microorganismos producen al 50 menos dos de estos productos finales.

Las bacterias anaerobias, tales como las del género Clostridium, se ha demostrado que producen etanol a partir de CO, CO2 y H2 a través de la vía bioquímica del acetil-CoA. Por ejemplo, diferentes cepas de Clostridium ljungdahlii que producen etanol a partir de gases se describen en la solicitud de patente internacional WO 00/68407, patente europea EP 117309, patentes de los EE. UU. n.os 5.173.429, 5.593.886 y 6.368.819, y las solicitudes de patente 55 internacional WO 98/00558 y WO 02/08438. También se sabe que la bacteria Clostridium autoethanogenum sp produce etanol a partir de gases (Abrini et al. Archives of Microbiology 161, págs. 345-351 (1994) ) .

Sin embargo, la producción del etanol por microorganismos mediante la fermentación de gases está asociada típicamente a la coproducción de acetato y/o ácido acético. Como parte del carbono disponible se convierte por lo general en acetato/ácido acético en vez de en etanol, la eficacia de la producción de etanol con tales procesos de fermentación puede ser menor de lo deseable. De igual forma, a menos que el subproducto acetato/ácido acético se pueda utilizar para algún otro fin, podría plantear un problema de eliminación de residuos. Los microorganismos convierten el acetato/ácido acético en metano y, por lo tanto, podrían acabar contribuyendo a las emisiones de gases de efecto invernadero.

Las solicitudes de patente internacional WO 2007/11757 y WO 2008/115080 describen procedimientos que producen alcoholes, en concreto etanol, mediante la fermentación anaerobia de los gases que contienen monóxido de carbono. El acetato producido como subproducto del procedimiento de fermentación descrito en la solicitud de patente internacional WO 2007/11757 se convierte en el gas hidrógeno y en el gas dióxido de carbono, de los cuales uno o ambos se pueden utilizar en el proceso de fermentación anaerobia.

La fermentación de sustratos gaseosos que comprenden CO para producir productos tales como ácidos y alcoholes favorece típicamente la producción de ácidos. La productividad de los alcoholes puede reforzarse mediante los procedimientos conocidos en la técnica, tales como los procedimientos descritos en las solicitudes de patente internacional WO 2007/117157, WO 2008/115080, WO 2009/022925 y WO 2009/064200.

La patente de los EE.UU. US 7.078.201 y la solicitud de patente internacional WO 02/08438 también describen la mejora de los procesos de fermentación para producir etanol mediante la variación de las condiciones (p. ej., pH y potencial de oxidorreducción) del medio líquido de nutrientes en el cual se realiza la fermentación. Tal y como se describe en estas publicaciones, se pueden utilizar procedimientos parecidos para producir otros alcoholes, tal como el butanol.

La fermentación microbiana del CO en presencia de H2 puede conducir a una transferencia de carbono sustancialmente completa a un alcohol. Sin embargo, en ausencia de suficiente H2, parte del CO se convierte en alcohol, mientras que una porción significativa se convierte en CO2, tal y como se muestra en las ecuaciones siguientes:

** (Ver fórmula) **

La producción de CO2 representa la ineficacia de la captura global de carbono y, si se libera, también podría acabar contribuyendo a las emisiones de gases de efecto invernadero. Además, el dióxido de carbono y otros compuestos que contienen carbono, tales como metano, producidos durante un procedimiento de gasificación, también se pueden liberar a la atmósfera si no se consumen en una reacción de fermentación integrada.

Es un objeto de la presente invención dar a conocer uno o varios sistemas y/o procedimientos que superan las desventajas conocidas en la técnica y dar a conocer al público nuevos procedimientos para la producción óptima de una serie de productos útiles.

1. Procedimiento para incrementar la captura de carbono en un proceso de fermentación, en donde el procedimiento incluye la gasificación de una materia prima para producir un sustrato de gas de síntesis en un gasificador y poner en contacto al menos una porción del sustrato de gas de síntesis con uno o varios microorganismos en un biorreactor para producir uno o varios productos, en donde los productos son uno o varios ácidos y/o alcoholes, en donde una corriente saliente sale del biorreactor, y en donde al menos una porción de la corriente saliente se envía al interior del gasificador.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde la corriente saliente comprende uno o varios subproductos de fermentación.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en donde un subproducto de fermentación es el dióxido de carbono, y en donde al menos una porción del dióxido de carbono que sale del biorreactor se dirige al gasificador.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, en donde el dióxido de carbono se separa en gran medida de uno o varios componentes más de la corriente saliente.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde la corriente saliente comprende un primer componente y facultativamente uno o varios segundos componentes de la corriente de gas de síntesis que no se han convertido en productos mediante la fermentación.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, en donde el primer componente que no se ha convertido en productos es metano, y en donde al menos una porción del metano que sale del biorreactor se dirige al gasificador.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, en donde el metano se separa en gran medida de uno o varios 20 componentes de la corriente saliente.

8. Procedimiento para producir productos por fermentación de un sustrato de gas de síntesis mediante uno o varios microorganismos, en donde el gas de síntesis procede de la gasificación de una materia prima y se produce en un gasificador, en donde el procedimiento incluye dirigir al menos una porción de un subproducto del dióxido de carbono, producido en la fermentación, al interior del gasificador, en donde los productos son uno o varios ácidos y/

alcoholes.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, en donde (a) uno o varios ácidos incluye acetato y/o (b) uno o varios alcoholes incluye etanol.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde el uno o varios microorganismos es una bacteria carboxidótrofa anaerobia seleccionada del grupo que consiste en Clostridium, Moorella, Pyrococcus,

Eubacterium, Desulfobacterium, Carboxydothermus, Acetogenium, Acetobacterium, Acetoanaerobium, Butyribacterium y Peptostreptococcus.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, en donde la bacteria carboxidótrofa es Clostridium autoethanogenum que tiene las características identificativas de la cepa depositada en el Centro Alemán de Recursos para Material Biológico (DSMZ) con el número de depósito identificativo 19630.

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, 10 u 11, en donde dicho uno o varios ácidos y/o alcoholes se seleccionan del grupo que incluye acetato y etanol.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en donde la materia prima comprende material carbonoso seleccionado de: basura urbana sólida, material forestal, residuos de madera, material de construcción, material vegetal, carbón, petróleo, materiales de desecho de pasta y de papel, coproductos petroquímicos, neumáticos o combinaciones de los mismos.

14. Sistema para incrementar la eficacia de un procedimiento para producir productos que son alcohol (es) y facultativamente ácido (s) mediante la fermentación microbiana de sustratos de gas de síntesis, en donde el sistema comprende:

a. un gasificador configurado para producir un sustrato de gas de síntesis que comprende CO y H2;

b. un biorreactor configurado para convertir al menos una porción de CO y, facultativamente, de H2 del sustrato de gas de síntesis en productos;

c. medios para enviar de vuelta al gasificador al menos una porción de uno o varios componentes del sustrato de gas de síntesis que no se ha convertido en producto (s) y/o al menos una porción de al menos un subproducto de la fermentación de una corriente saliente que sale del biorreactor.

15. Sistema según la reivindicación 14, en donde el sistema está configurado para enviar al gasificador al menos una porción de un subproducto que comprende dióxido de carbono.

16. Sistema según las reivindicaciones 14 o 15, en donde el sistema incluye medios de separación configurados para separar el dióxido de carbono de la corriente saliente, de tal manera que se pueda enviar al gasificador.