Biorreactor para fermentación mesófila y/o termófila.

Un biorreactor (1) para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal,

caracterizado porque el reactor (1) comprende una vasija primaria del reactor (2) que tiene un lecho (3) de bacterias productoras de hidrógeno hacia su base (4), un flujo de entrada de biomasa vegetal (5), un flujo de salida de efluente de biomasa vegetal tratada (6) hacia su extremo operativamente superior (7), y una entrada de reciclaje de efluente de biomasa vegetal saturado en gas (13) en el lecho, y una vasija secundaria del reactor (8) que tiene una entrada de efluente de biomasa vegetal tratada (6) desde la vasija primaria del reactor (2), una salida de gas (10) y una salida de reciclaje de efluente de biomasa vegetal saturado en gas (11), conduciendo la salida de reciclaje de efluente de biomasa vegetal saturado en gas (11) a una bomba de recirculación (12) que, durante el uso, recicla efluente de biomasa vegetal saturado en gas desde la vasija secundaria del reactor (8) a la vasija primaria del reactor (2).

Biorreactor para fermentación mesófila y/o termófila.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a un biorreactor para la producción de altas tasas de hidrógeno a partir de biomasa vegetal y para el rápido cribado, selección y aislamiento de bacterias o consorcios de bacterias mesófilas y/o termófilas formadoras de biopelícula que generan altos niveles de hidrógeno a partir de biomasa vegetal o a partir de hidrolizados solubles derivados de la hidrólisis de materias celulósicas incluyendo hemicelulosa.

Antecedentes de la invención El aumento de precio de los combustibles fósiles y los productos de petróleo ha dado como resultado, en gran medida, que la producción de hidrógeno y etanol, así como otros productos de fermentación, a partir de biomasa vegetal se ha convertido una opción cada vez más atractiva para la producción de un combustible alternativo. La producción de dichos combustibles alternativos también es importante para países que carecen de petróleo o carbón.

Además, el hidrógeno está reconocido como un portador de energía limpio y reciclable. Por consiguiente, se considera que es una de las principales fuentes de energía del futuro y se ha empleado mucho esfuerzo en explorar métodos para suministrar de forma suficiente y eficaz hidrógeno. Además, la producción biológica de hidrógeno a partir de residuos orgánicos, así como a partir de otros recursos reciclables se considera preferible a la producción de hidrógeno a partir de cultivos alimentarios pues, aunque el rendimiento de hidrógeno de cultivos alimentarios tales como maíz y trigo es relativamente alto, existe una escasez global de alimentos que corre el riesgo de resultar exacerbada por el uso de cultivos alimentarios en reactores productores de hidrógeno biológico.

Actualmente ningún aparato ni metodología de biorreactor adecuadas son conocidos por el inventor para el rápido cribado, selección y aislamiento de bacterias o consorcios de bacterias termófilas que forman biopelículas, flóculos y gránulos que generan altos niveles de hidrógeno a partir de biomasa vegetal incluyendo los hidrolizados solubles derivados de la hidrólisis de materias celulósicas y, particularmente, de materias celulósicas tales como residuo y efluente de caña de azúcar que ha sido sometido solamente a un tratamiento mínimo tal como molienda y calentamiento en húmedo.

Las termófilas, incluyendo las termófilas extremas, tienen muchas ventajas como agentes para la generación de biohidrógeno a partir de celulosa y a partir de hidrolizado soluble derivado de la hidrólisis de celulosa. Quizás su principal ventaja es que las altas temperaturas excluyen la contaminación microbiana de un sistema biorreactor. La alta temperatura también desplaza la constante de equilibrio para las reacciones que generan hidrógeno en la dirección directa aumentando de este modo el rendimiento de hidrógeno. La mayoría de las termófilas y termófilas extremas son, sin embargo, difíciles de cultivar y mantener como cultivos puros aunque se ha descubierto que la hidrólisis de materias celulósicas y la generación de hidrógeno a partir de los productos de esta hidrólisis se vuelve cada vez más favorable bajo la acción de un consorcio mixto de bacterias que incluye especies bacterianas celulolíticas anaerobias.

El documento WO 2007/090138 desvela un aparato y un método para la producción de hidrógeno en base a la captura de subproductos metabólicos de microbacterias productoras de hidrógeno, en el que un biorreactor se mantiene en un entorno que conduce al crecimiento de microbacterias productoras de hidrógeno y la producción de hidrógeno y al mismo tiempo es restrictivo para el crecimiento de microorganismos indeseables, tales como metanógenos y la producción de metano.

Objeto de la invención

Es un objeto de esta invención proporcionar un biorreactor para la producción de altas tasas de hidrógeno a partir de biomasa vegetal y para el rápido cribado, selección y aislamiento de bacterias o consorcios de bacterias termófilas que forman biopelícula, que generan altos niveles de hidrógeno a partir de biomasa vegetal o a partir de hidrolizados solubles derivados de la hidrólisis de materias celulósicas, incluyendo hemicelulosa.

Resumen de la invención

De acuerdo con esta invención, se proporciona un biorreactor para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal, comprendiendo el reactor una vasija primaria del reactor que tiene un lecho de bacterias productoras de hidrógeno hacia su base, un flujo de entrada de biomasa vegetal, un flujo de salida de efluente de biomasa vegetal tratada hacia su extremo operativamente superior, y una entrada de reciclaje de efluente de biomasa vegetal saturado en gas en el lecho, y una vasija secundaria del reactor que tiene una entrada de efluente de biomasa vegetal tratada desde la vasija primaria del reactor, una salida de gas y una salida de reciclaje de efluente de biomasa vegetal saturado en gas, conduciendo la salida de reciclaje de efluente de biomasa vegetal saturado en gas a una bomba de recirculación que, durante el uso, recicla efluente de biomasa vegetal saturado en gas de la vasija secundaria del reactor a la vasija primaria del reactor.

Se dispone, además, que el lecho sea un lecho fluidizado, como alternativa un lecho sedimentado, como alternativa adicional, un lecho expandido y, en el caso de un lecho fluidizado, para gas reciclado de la vasija secundaria del reactor a la vasija primaria del reactor para fluidizar el lecho de bacterias productoras de hidrógeno en la vasija primaria del reactor.

Se dispone, además, que las bacterias sean bacterias mesófilas y/o termófilas.

También se dispone que el efluente de biomasa vegetal reciclado esté saturado con hidrógeno gaseoso producido en la vasija primaria del reactor.

Se dispone, además, que el lecho de bacterias productoras de hidrógeno tenga al menos una entrada de alimentación de nutrientes inorgánicos.

También se dispone que la vasija primaria del reactor esté ubicada dentro de la vasija secundaria del reactor, que la vasija secundaria del reactor tenga una salida de efluente de biomasa vegetal no reciclado, en exceso y que la vasija secundaria del reactor funcione, durante el uso, como clarificador y/o separador de gas para efluente de biomasa vegetal tratada recibido de la vasija primaria del reactor.

También se dispone que las bacterias productoras de hidrógeno sean un consorcio mixto de bacterias mesófilas que incluye bacterias celulolíticas anaerobias; que las bacterias que componen el consorcio mixto se seleccionen entre uno o más de una gama de hábitats mesófilos incluyendo aguas residuales primarias, suelos, compost y estiércol ruminal; y que las bacterias productoras de hidrógeno estén adaptadas a temperaturas que varían entre 20ºC y 80ºC y preferentemente entre 25ºC y 75ºC.

Se dispone, además, que la biomasa vegetal tratada sea insoluble, preferentemente materia vegetal celulósica que se ha sometido solamente a un pre-tratamiento mínimo que es molienda y/o calentamiento en húmedo, como alternativa que la biomasa vegetal tratada sea un hidrolizado soluble derivado de la hidrólisis de materia celulósica, como alternativa adicional una mezcla de materia celulósica insoluble y un hidrolizado derivado de la hidrólisis de materia celulósica.

También se dispone que la vasija primaria del reactor tenga una base a partir de la cual se forma el lecho durante el uso, que el lecho se forme mediante un lecho de materia particulada recubierto por partículas de carbón activado, que la materia particulada del lecho esté formada por uno o más de bolas de acero, grava, perlas de vidrio, partículas de ceniza de carbón y similares, y que la materia particulada del lecho esté recubierta con una biopelícula formada a partir de un consorcio mixto de bacterias termófilas y/o mesófilas.

Características adicionales de la invención permiten que la vasija primaria del reactor tenga un medio de circulación para hacer circular biomasa vegetal parcialmente tratada dentro de la vasija del reactor, comprendiendo el medio de circulación un tubo de aspiración a través del cual materia saturada en gas es dirigida desde la base del reactor hacia arriba y un tubo descendente a través del cual biomasa parcialmente tratada que fluye desde una salida al tubo de aspiración es devuelta a la base del reactor.

La invención se extiende a un método para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal que comprende las siguientes etapas:

a) introducir una biomasa vegetal en una vasija primaria del reactor de un biorreactor tal como se ha descrito anteriormente que tiene un lecho de bacterias productoras... [Seguir leyendo]

1. Un biorreactor (1) para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal, caracterizado porque el reactor (1) comprende una vasija primaria del reactor (2) que tiene un lecho (3) de bacterias productoras de hidrógeno hacia su base (4) , un flujo de entrada de biomasa vegetal (5) , un flujo de salida de efluente de biomasa vegetal tratada (6) hacia su extremo operativamente superior (7) , y una entrada de reciclaje de efluente de biomasa vegetal saturado en gas (13) en el lecho, y una vasija secundaria del reactor (8) que tiene una entrada de efluente de biomasa vegetal tratada (6) desde la vasija primaria del reactor (2) , una salida de gas (10) y una salida de reciclaje de efluente de biomasa vegetal saturado en gas (11) , conduciendo la salida de reciclaje de efluente de biomasa vegetal saturado en gas (11) a una bomba de recirculación (12) que, durante el uso, recicla efluente de biomasa vegetal saturado en gas desde la vasija secundaria del reactor (8) a la vasija primaria del reactor (2) .

2. Un biorreactor (1) para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el lecho (3) es un biorreactor de lecho fluidizado, como alternativa un biorreactor de lecho sedimentado, como alternativa adicional un biorreactor de lecho expandido.

3. Un biorreactor (1) para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque, donde el biorreactor es un biorreactor de lecho fluidizado, gas reciclado desde la vasija secundaria del reactor (8) a la vasija primaria del reactor (2) fluidiza el lecho de bacterias productoras de hidrógeno termófilas en la vasija primaria del reactor (2) .

4. Un biorreactor (1) para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las bacterias son bacterias mesófilas y/o termófilas.

5. Un biorreactor (1) para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el efluente de biomasa vegetal reciclado está saturado con hidrógeno gaseoso producido en la vasija primaria del reactor (2) .

6. Un biorreactor (1) para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el lecho (3) de bacterias productoras de hidrógeno tiene al menos una entrada de alimentación de nutrientes inorgánicos (16) .

7. Un biorreactor (1) para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la vasija primaria del reactor (2) está ubicada dentro de la vasija secundaria del reactor (8) y la vasija secundaria del reactor (8) tiene una salida de efluente de biomasa vegetal no reciclado, en exceso (15) .

8. Un biorreactor (1) para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la vasija secundaria del reactor (8) funciona, durante el uso, como clarificador y/o separador de gas para efluente de biomasa vegetal tratada recibido de la vasija primaria del reactor (2) .

9. Un biorreactor (1) para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las bacterias productoras de hidrógeno son un consorcio mixto de bacterias mesófilas y/o termófilas que incluye bacterias celulolíticas anaerobias y, preferentemente, las bacterias que componen el consorcio mixto se seleccionan entre uno o más de una gama de hábitats mesófilos que incluyen aguas residuales primarias, suelos, compost y estiércol ruminal.

10. Un biorreactor (1) para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las bacterias productoras de hidrógeno están adaptadas a temperaturas que varían entre 20ºC y 80ºC y, preferentemente, entre 25ºC y 75ºC.

11. Un biorreactor (1) para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la biomasa vegetal tratada es insoluble y, preferentemente, es materia vegetal celulósica que se ha sometido solamente a un pre-tratamiento mínimo que es molienda y/o calentamiento en húmedo.

12. Un biorreactor (1) para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la biomasa vegetal tratada es un hidrolizado soluble derivado de hidrólisis de materia celulósica.

13. Un biorreactor (1) para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la biomasa vegetal tratada es una mezcla de materia celulósica insoluble y un hidrolizado derivado de hidrólisis de materia celulósica.

14. Un biorreactor (1) para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la vasija primaria del reactor (2) tiene una base (4) sobre la cual el lecho (3) se forma durante el uso, preferentemente mediante uno o más de bolas de acero, grava, perlas de vidrio, partículas de ceniza de carbón y similares, y para el lecho (3) a formarse mediante un lecho de materia particulada

(22) recubierto con partículas de carbón activado (23) y para la materia particulada del lecho (22) a estar recubierta con una biopelícula formada a partir de un consorcio mixto de bacterias termófilas y/o mesófilas.

15. Un biorreactor (1) para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la vasija primaria del reactor (2) tiene un medio de circulación (17) , que comprende preferentemente un tubo de aspiración (18) a través del cual materia saturada en gas es dirigida desde la base del reactor (14) hacia arriba y un tubo descendente (19) a través del cual la biomasa parcialmente tratada que fluye desde una salida al tubo de aspiración (18) es devuelta a la base del reactor (14) , para hacer circular biomasa vegetal parcialmente tratada dentro de la vasija del reactor (2) .

16. Un método para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal usando un biorreactor (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque el método se realiza de acuerdo con las siguientes etapas:

a) introducir una biomasa vegetal en una vasija primaria del reactor (2) de un biorreactor (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, que tiene un lecho (3) de bacterias productoras de hidrógeno termófilas y/o mesófilas hacia su base (4) :

b) tratar la biomasa vegetal introducida con un consorcio mixto de bacterias productoras de hidrógeno que incluye bacterias celulolíticas anaerobias para producir hidrógeno;

c) transferir la biomasa vegetal tratada a una vasija secundaria del reactor (8) que tiene una entrada de efluente de biomasa vegetal tratada (6) a partir de la vasija primaria del reactor (2) ;

d) recoger hidrógeno gaseoso de la segunda vasija del reactor (8) y clarificar el efluente de biomasa vegetal tratada;

e) recoger un sobrenadante de la biomasa vegetal tratada clarificada; y

f) recircular biomasa vegetal tratada clarificada no recogida a la vasija primaria del reactor (2) .

17. Un método para cribar, seleccionar y aislar bacterias o consorcios de bacterias mesófilas y/o termófilas formadoras de biopelícula que generan altos niveles de hidrógeno a partir de biomasa vegetal o a partir de hidrolizados solubles derivados de la hidrólisis de materias celulósicas que incluyen hemicelulosa usando un biorreactor (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque dicho método comprende las siguientes etapas:

a) crear un lecho (3) adecuado para colonización por un consorcio mixto de bacterias, en una vasija primaria del reactor (2) de un biorreactor (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15 para producir hidrógeno a partir de biomasa vegetal, a partir de un lecho de materia particulada (22) recubierto con partículas de carbón activado (23) ;

b) introducir un consorcio mixto de bacterias en la vasija primaria del reactor (2) ;

c) introducir una biomasa vegetal tratada en la vasija de reacción primaria (2) del reactor (1) ; y

d) aislar bacterias o consorcios de bacterias formadoras de biopelícula a partir de la materia particulada del lecho (22) .