BR112012000046B1

BR112012000046B1 - método para produzir metano

Info

Publication number: BR112012000046B1
Application number: BR112012000046-2A
Authority: BR
Inventors: Laurens Mets
Original assignee: The University Of Chicago
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2020-11-17
Also published as: US20210032582A1; EP2449084A4; TWI500766B; DK2449084T3; US20220411733A1; BR112012000046A2; HUE051809T2; TW201116628A; EP3839860A1; EP2449084B1; EP2449084A1; WO2011003081A1

Abstract

SISTEMA PARA CONVERTER ENERGIA ELÉTRICA EM METANO, E, MÉTODO PARA CONVERTER ELETRICIDADE EM METANO. É descrito um sistema para converter energia elétrica em metano que inclui um reator biológico tem pelo menos uma primeira câmara contendo pelo menos um cátodo, uma cultura compreendendo microrganismos metanogênicos, e água, e uma segunda câmara contendo pelo menos um anodo. O reator biológico tem um estado de operação em que a cultura é mantida a uma temperatura acima de 50 °C. O sistema também inclui uma fonte de eletricidade acoplada ao anodo e o cátodo, uma fonte de dióxido de carbono acoplado à primeira câmara, e uma saída para receber metano da primeira câmara.

Description

FUNDAMENTOS

[0001] Esta patente diz respeito à conversão de energia elétrica em fontes de energia alternativa, tais como combustíveis. Em particular, a patente diz respeito à conversão de dióxido de carbono em metano e outros recursos de energia usando energia elétrica, cuja conversão também pode criar ou gerar outros produtos ou subprodutos, tais como créditos de carbono ou oxigênio, por exemplo.

[0002] Os EUA consomem anualmente cerca de 90 ExaJoules (EJ) de combustíveis a base de carbono, 88 % de seu consumo de energia total em 2008. O uso destes combustíveis é suportado pelas indústrias de processamento, distribuição e utilização pesadamente capitalizadas.

[0003] A sustentabilidade destes sistemas é questionável por duas razões. Primeiro, os EUA importam 25 % da energia que usa, uma proporção que é projetada para aumentar substancialmente. Energia importada é obtida de fontes que estão em pressão para servir para a demanda crescente das economias crescentes em outras partes do mundo. Em segundo lugar, mais que 96 % dos combustíveis a base de carbono são obtidos de reservas de fóssil, que são finitas. A energia útil é obtida de combustíveis a base de carbono oxidando estados reduzidos de carbono a dióxido de carbono. Para combustíveis fósseis, processo é basicamente circuito aberto que produz CO2 sem nenhum processo de redução de carbono por compensação para fechar o ciclo. O acúmulo gradual consequente de CO2 atmosférico está começando a causar mudanças no clima global que ameaça muitos aspectos do nosso estilo de vida. Desta forma, é necessário um processo que pode fechar este ciclo de energia de carbono para a economia de energia total.

[0004] Um fluxo anual de 58.000 EJ de energia solar ataca o solo dos EUA, tornando-o nosso recurso de energia sem carbono mais abundante - 500 vezes o consume atual. Energia solar tem a única vantagem de ser um recurso doméstico não somente nos EUA, mas em qualquer lugar que as pessoas vivam. Seu uso espalhado como um recurso primário pode assegurar a independência de energia em todo o mundo. No entanto, hoje a energia solar é somente um componente marginal da e∞nomia de energia, fornecendo menos que 0,1 % do mercado de consumo de energia dos EUA. A exploração da energia solar é limitada principalmente em virtude de ela ser intermitente e não poder ser confiada para fornecer a energia de carga base que deve ser disponível se necessário. O que falta é um método para armazenar energia solar em uma forma estável que pode ser aprisionada se necessário. Idealmente, uma forma de armazenamento como esta deve ajustar suavemente na infraestrutura de energia existente de maneira tal que possa ser rapidamente posicionado uma vez instalado.

[0005] Existe uma necessidade na indústria de energia por sistemas para converter uma forma de energia em uma outra. Em particular, existe uma necessidade por sistemas para converter eletricidade em uma forma de energia que pode ser armazenada de forma barata em escalas industriais. Muitas fontes de geração de eletricidade não podem ser ajustadas para atender a demanda. Por exemplo, instalações de energia de carvão funcionam quase eficientemente quando mantidas em uma taxa constante e não podem ser ajustadas tão facilmente quanto instalações de energia acionada por gás natural (metano). Desta maneira, turbinas de vento geram eletricidade quando o vento está soprando, o que pode não necessariamente acontecer quando a demanda de eletricidade é a maior.

[0006] Também existe uma necessidade para converter eletricidade em uma forma que pode ser transportada por longas distâncias sem perdas significativas. Muitas oportunidades para instalações de geração de energia a base de fazendas de vento, geotérmica, hidroelétrica ou solar não são localizadas próximo à maioria dos centros da população, mas perdas de energia elétrica sobre centenas de milhas adiciona custo significativo a tais instalações de energia distantes.

[0007] Metano é uma das formas mais versáteis de energia e pode ser armazenado facilmente. Já existe muita infraestrutura para transportar e distribuir metano, bem como infraestrutura para converter metano em eletricidade e para dar energia a veículos. Metano também tem a maior densidade energética por átomo de carbono de todos os combustíveis fósseis e, desta forma, de todos os combustíveis fósseis, metano libera o último dióxido de carbono por unidade de energia quando queimado. Assim, sistemas para converter eletricidade em metano podem ser altamente usados e valiosos em todas as indústrias de geração e utilização de energia.

[0008] Em princípio, pode ser possível produzir metano a partir de energia elétrica em um processo em duas etapas, tais como salientado esquematicamente na figura 1. A primeira etapa pode usar a energia elétrica para preparar gás hidrogênio a partir de água em um sistema de eletrólise de água padrão 50. Em uma segunda etapa, o gás hidrogênio pode então ser bombeado em uma câmara de reação metanogênica 52, tais como um reator biológico altamente específico de micróbios metanogênicos. Um reator biológico como este é descrito no pedido de patente U.S. 12/333.932 de Laurens Mets, aqui incorporado pela referência.

SUMÁRIO

[0009] De acordo com um aspecto da presente descrição, um sistema para converter energia elétrica em metano inclui um reator biológico tendo pelo menos uma primeira câmara contendo pelo menos um cátodo, uma cultura compreendendo microrganismos metanogênicos e água, e uma segunda câmara contendo pelo menos um anodo. O reator biológico tem um estado de operação em que a cultura é mantida a uma temperatura acima de 50 °C. O sistema também inclui uma fonte de eletricidade acoplada ao anodo e o cátodo, uma fonte de dióxido de carbono acoplado à primeira câmara, e uma saída para receber metano da primeira câmara.

[0010] De acordo com um outro aspecto da presente descrição, um método de converter eletricidade em metano inclui abastecer eletricidade a um anodo e um cátodo do reator biológico tendo pelo menos uma primeira câmara contendo pelo menos o cátodo, uma cultura compreendendo microrganismos metanogênicos, e água, e uma segunda câmara contendo pelo menos o anodo, o reator biológico tendo um estado de operação, em que a cultura é mantida a uma temperatura acima de 50 °C. O método também inclui abastecer dióxido de carbono na primeira câmara, e coletar metano da primeira câmara.

[0011] De acordo com um aspecto adicional da presente descrição, um método de criar créditos de carbono inclui abastecer eletricidade a um anodo e um cátodo do reator biológico tendo pelo menos uma primeira câmara contendo pelo menos o cátodo, uma cultura compreendendo microrganismos metanogênicos, e água, e uma segunda câmara contendo pelo menos o anodo, o reator biológico tendo um estado de operação em que a cultura é mantida a uma temperatura cerca de 50 °C. O método também inclui abastecer dióxido de carbono na primeira câmara, e receber créditos de carbono para o dióxido de carbono convertido no reator biológico em metano.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

[0012] Acredita-se que a descrição será mais completamente entendida a partir da seguinte descrição tomada em conjunto com os desenhos em anexo. Algumas das figuras podem ter sido simplificadas pela omissão dos elementos selecionados para o propósito de mostrar mais claramente outros elementos. Tais omissões de elementos em algumas figuras não são necessariamente indicativas da presença ou ausência de elementos particulares em qualquer uma das modalidades exemplares, exceto conforme explicitamente delineado na descrição escrita correspondente. Nenhum dos desenhos está necessariamente em escala.

[0013] Figura 1 é uma vista esquemática de um sistema para converter dióxido de carbono em metano de acordo com a tecnologia anterior;

[0014] Figura 2 é uma vista esquemática de um sistema para converter dióxido de carbono em metano de acordo com a presente descrição;

[0015] Figura 3 é uma vista transversal de uma modalidade de um reator biológico para converter dióxido de carbono em metano;

[0016] Figura 4 é uma vista transversal de uma outra modalidade de um reator biológico para converter dióxido de carbono em metano;

[0017] Figura 5 é uma vista transversal ainda de uma outra modalidade de um reator biológico para converter dióxido de carbono em metano;

[0018] Figura 6 é uma vista transversal de uma modalidade adicional de um reator biológico para converter dióxido de carbono em metano;

[0019] Figura 7 é uma vista esquemática de uma modalidade de um reator biológico com uma pluralidade de ânodos e cátodos;

[0020] Figura 8 é uma vista transversal do sistema da figura 7 tomada ao longo da linha 8-8;

[0021] Figura 9 é uma vista transversal de uma pluralidade do reator biológicos da figura 8 tomada ao longo da linha 9-9;

[0022] Figura 10 é uma vista transversal de uma variante do reator biológico para uso no sistema da figura 7;

[0023] Figura 11 é uma vista esquemática de um arranjo em série dos reatores biológicos de acordo com a presente descrição;

[0024] Figura 12 é uma vista esquemática de um arranjo paralelo dos reatores biológicos de acordo com a presente descrição;

[0025] Figura 13 é uma vista esquemática de um sistema independente de acordo com a presente descrição;

[0026] Figura 14 é uma vista esquemática de um sistema integrado de acordo com a presente descrição; e

[0027] Figura 15 é um gráfico de produção de metano com o tempo com variação de voltagem aplicada através do anodo e cátodo de um reator biológico de acordo com a figura 3.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS VÁRIAS MODALIDADES

[0028] Embora o seguinte texto apresente uma descrição detalhada de inúmeras modalidades diferentes da invenção, deve-se entender que o escopo legal da invenção é definido pelas palavras das reivindicações apresentadas no final desta patente. A descrição detalhada deve ser considerada como exemplar somente e não descreve todas as modalidades possíveis da invenção, uma vez que descrever todas as modalidades possíveis pode ser impraticável, se não impossível. Inúmeras modalidades alternativas podem ser implementadas, usando tanto a tecnologia atual quanto tecnologia desenvolvida depois do preenchimento dos dados desta patente, que ainda pode cair no escopo das reivindicações que definem a invenção.

[0029] Também deve-se entender que, a menos que um termo seja expressamente definido nesta patente usando a sentença “Da forma aqui usada, o termo 1’ é aqui definido para significar...” ou uma sentença similar, não há a intenção de limitar o significado do termo, tanto expressamente quanto por implicação, além de seu plano ou significado comum, e tal termo não deve ser interpretado para ser limitado no escopo com base em qualquer declaração feita em qualquer seção desta patente (a não ser a linguagem das reivindicações). Até o ponto em que qualquer termo citado nas reivindicações no final desta patente é referido nesta patente de uma maneira consistente com um único significado, que é feito por razões de clareza somente, de maneira tal que não confunda o leitor, e não se pretende que tal reivindicação termo de reivindicação seja limitado, por implicação ou de alguma maneira, ao único significado. Finalmente, a menos que um elemento de reivindicação seja definido citando a palavra “significa” e uma função sem a citação de nenhuma estrutura, não se pretende que o escopo de nenhum elemento de reivindicação seja interpretado com base no pedido de patente 35 U.S.C. §112, sexto parágrafo.

[0030] A presente descrição endereça o processamento ou conversão de dióxido de carbono em metano usando um aparato eletro-biológico. O aparato pode ser referido aqui como um reator biológico, biorreator, processador, conversor ou gerador. Percebe-se que esta designação não pretende limitar o papel que o conversor pode realizar em um sistema incluindo um ou mais conversores.

[0031] Por exemplo, o aparato fornece um recurso de energia a base de carbono não fóssil. Com relação a isto, o aparato é usado para gerar um recurso de energia que pode ser substituído por combustíveis de carbono com base em fóssil, para reduzir a confiança nos combustíveis de carbono com base em fóssil, por exemplo. Adicionalmente, o aparato converte ou processa dióxido de carbono para gerar este recurso de energia. Com relação a isto, o aparato remove dióxido de carbono do ambiente, que pode ser uma atividade benéfica em si. Tal remoção de dióxido de carbono do ambiente pode acontecer removendo dióxido de carbono diretamente da atmosfera ou utilizando dióxido de carbono de um outro processo industrial e evitando assim que tal dióxido de carbono seja liberado na atmosfera ou em um sistema de armazenamento ou em um outro processo. Ainda, o aparato converte ou processa dióxido de carbono em metano usando eletricidade para conversor eletricidade em um outro recurso de energia quando demanda por eletricidade pode ser de maneira tal que a eletricidade possa ser, de alguma maneira, eliminada ou ainda vendida em uma perda para o produtor de eletricidade, por exemplo. Com relação a isto, o aparato pode ser visto como parte de um sistema de armazenamento de energia. Na operação de um sistema de energia, ou uma instalação de energia individual ou outra fonte de energia no sistema de energia, ou como parte de uma fábrica não associada a um sistema de energia, ou na operação de um reator biológico, produção de energia o nível pode ser usada por um ou mais reatores biológicos para consumir como um dióxido de carbono de entrada, água ou energia elétrica e para produzir metano ou oxigênio quando condições de negócio são favoráveis para fornecer um incentivo maior que para outros usos de tais entradas. Tais condições podem existir quando certas políticas regulatórias, acordos de compra de energia, créditos de carbono, oportunidades de negócios futuros, capacidade de armazenamento, demanda elétrica, taxas, créditos de taxa ou descontos, contratos, preferências do consumidor, capacidade de transmissão, condições de preço, ou outros incentivos de mercado podem fornecer valor suficiente para operação do reator biológico para produzir metano ou oxigênio ou para consumir dióxido de carbono, água ou energia elétrica. Além dos usos anteriores e outros, o aparato converte energia elétrica ou energia em metano que pode ser transmitido por meio de tubulações de transmissão de gás natural que em uma base de energia por unidade são menos caros que linhas de transmissão elétrica e em alguns locais as linhas de transmissão elétrica não podem ter tanta capacidade de transmissão sobressalente que as linhas de transmissão de gás natural. Com relação a isto, o aparato pode ser visto como parte de um sistema de transmissão de energia. Todos estes papéis podem ser desempenhados por um aparato de acordo com a presente descrição.

[0032] Conforme ilustrado na figura 2, o reator biológico de acordo com a presente descrição pode incluir um recipiente que é dividido em pelo menos uma primeira câmara e uma segunda câmara. Pelo menos um cátodo é disposto na primeira câmara, e pelo menos um anodo é disposto na segunda câmara. A primeira câmara pode ter entradas que são conectadas a uma fonte de gás de dióxido de carbono e uma fonte de água, e uma saída que é conectada, por exemplo, a um dispositivo de armazenamento usado para armazenar metano produzido na primeira câmara. A primeira e segunda câmaras são separadas por um divisor que é permeável a íons (prótons) para permitir que eles se movam da segunda câmara para a primeira câmara. Esta membrana também pode ser impermeável aos produtos gasosos e subprodutos do processo de conversão para limitar ou evitar que eles de movam entre a primeira câmara e a segunda câmara.

I. Descrição de Sistema e Reator biológico

[0033] Microrganismos metanogênicos podem ser cultivados, por exemplo, em biorreatores de tanque agitado, biorreatores de fibra oca, ou biorreatores de leito fluidizado, e operados em um modo de lote, lote alimentado, contínuo, semi-contínuo ou perfusão. Em modo de lote (lote único), uma quantidade inicial de meio contendo nutrientes necessários para crescimento é adicionada ao reator biológico, e o reator biológico é operado até que o número de células viáveis aumente para uma condição máxima de estado estável ou estacionária. Em modo de lote alimentado, meios concentrados ou quantidades selecionadas de nutrientes únicos são adicionados em intervalos fixos à cultura. Microrganismos metanogênicos podem sobreviver por anos em condições de lote alimentado, desde que quaisquer produtos de resíduo sejam efetivamente minimizados ou removidos para evitar perda de eficiência de produção de metano com o tempo. Quaisquer produtos de resíduo inibitórios podem ser removidos por processos de produção de perfusão contínua, bem conhecidos na tecnologia. Processos de perfusão podem envolver simples diluição por alimentação contínua de meio recém preparado na cultura, enquanto que o mesmo volume é continuamente retirado do reator. Processos de perfusão também podem envolver remoção contínua, seletiva do meio por centrifugação enquanto que células são retidas na cultura ou por remoção seletiva de componentes tóxicos por diálise, adsorção, eletroforese, ou outros métodos. Culturas continuamente perfundidas podem ser mantidas por semanas, meses ou anos.

[0034] Figura 3 ilustra uma primeira modalidade de um sistema 100 que pode ser usado, por exemplo, para conversor energia elétrica em metano. O sistema 100 inclui um reator biológico 102 tendo pelo menos uma primeira câmara 104 e uma segunda câmara 106. A primeira câmara 104 pode conter pelo menos um cátodo 108, uma cultura compreendendo microrganismos metanogênicos vivos, e água. Em particular, a cultura pode compreender archaea metanogênica autotrófica e/ou hidrogenotrófica, e a água pode ser parte de um meio eletrolítico aquoso compatível com os microrganismos vivos. A segunda câmara pode conter pelo menos um anodo 110.

[0035] O reator biológico 102 também pode incluir uma barreira seletivamente permeável 112, que pode ser uma barreira permeável ao próton, que separa o anodo 110 do cátodo 108. A barreira 112 pode ser pelo menos semipermeável ao gás (por exemplo, certos gases podem passar através, enquanto que outros são limitados), embora de acordo com certas modalidades, a barreira 112 seja impermeável aos gases. De acordo com certas modalidades, a barreira 112 pode evitar que gases produzidos em cada lado da barreira sejam misturados.

[0036] De acordo com certas modalidades, a barreira 112 pode ser uma membrana de eletrólito de polímero sólido (PEM), tais como é disponível com o nome Nation da E. I. du Pont de Nemours and Company. Para conversão de energia ideal no reator de acordo com certas modalidades, acredita-se que a permeabilidade da barreira aos íons hidrônio deve preferivelmente ser um mínimo de duas ordens de magnitude maior em uma base molar que a permeabilidade da barreira ao oxigênio em condições da operação do reator. Outras membranas de PEM adequadas que tendem estes critérios, tais como copolímeros bloco de poliarileno sulfonados (ver, por exemplo, Bae, B., K Miyatake, e M. Watanabe. Macromolecules 43:2684-2691 (2010), que está aqui incorporado pela referência na íntegra) e Nation suportado em PTFE (ver, por exemplo, G.-B. Jung, et al, J Cell combustível Technol 4:248- 255(2007), que está aqui incorporado pela referência na íntegra), estão em desenvolvimento ativo em inúmeros laboratórios. Membranas de PEM comerciais adequadas, além de Nation, incluem Gore-Select (PRIMEA), Flemion (Asahi), 3M Fluoropolymer ionomer, SPEEK (Polyfuel), membrana combinada de Kynar (Arkema), Fumapem (FuMA-Tech), e Solupor (Lydall).

[0037] No reator biológico 102, água age como um doador de elétron de rede primário para os microrganismos metanogênicos (por exemplo, archaea metanogênica) no reator biológico. Desta maneira, também acredita-se que a barreira 112 deve ser permeável para tons hidrônio (H3O+) (isto é, possibilita que íons hidrônio atravessem a barreira 112 do anodo 110 para o cátodo 108 e completa o circuito elétrico).

[0038] O cátodo 108 pode ser de um material condutor eletricamente de alta razão de superfície para volume. Por exemplo, o cátodo 108 pode ser feito de um material condutor eletricamente poroso. Em particular, o cátodo 108 pode ser feito de uma espuma de carbono vítrea reticulada de acordo com certas modalidades. Conforme explicado em mais detalhe a seguir, outros materiais podem ser usados. De acordo com certas modalidades, os poros do cátodo podem ser grandes suficiente (por exemplo, maior que 1-2 micrômetros em dimensão mínima) para acomodar microrganismos metanogênicos vivos nos poros. A condutividade elétrica da matriz do cátodo é preferivelmente pelo menos duas ordens de magnitude maior que a condutividade iônica do meio eletrolítico aquoso contido em seus poros.

[0039] Percebe-se que o papel do cátodo 108 é fornecer elétrons aos microrganismos minimizando ao mesmo tempo reações laterais e minimizando perda de energia. Adicionalmente, é vantajoso para o cátodo ser barato. Atualmente, acredita-se que certos materiais podem ser mais ou menos adequados para inclusão no reator.

[0040] Por exemplo, cátodos de platina podem ser menos adequados para inclusão no reator. Com relação a isto, a platina fornece uma superfície altamente ativa para catalisar produção de gás hidrogênio da combinação de prótons ou íons hidrônio com elétrons fornecidos pelo cátodo. A atividade dos catalisadores de cátodo de platina para formação de hidrogênio em soluções aquosas é tão alta que a concentração de hidrogênio na vicinidade do catalisador rapidamente aumenta acima de seu limite de solubilidade e bolhas de gás hidrogênio emergem. A despeito do fato de que os microrganismos metanogênicos são evolvidos para consumir hidrogênio no processo de formação de metano, hidrogênio em bolhas redissolve somente lentamente no meio e é amplamente indisponível para os microrganismos. Consequentemente, muito da energia consumida na formação de hidrogênio em um catalisador de platina não contribui para a formação de metano. Adicionalmente, a energia de ligação de hidrogênio é maior que a energia de ligação por ligação de metano. Esta diferença resulta em uma perda energética quando gás hidrogênio é produzido como uma etapa intermediária.

[0041] Por outro lado, um cátodo de carbono sólido é um exemplo de um material eletricamente condutor barato que tem baixa atividade para formação de hidrogênio e que pode fornecer elétrons aos microrganismos. Entretanto, percebe-se que transferência de elétron entre microrganismos e uma fonte de elétron externa ou pia, tais como um eletrodo, requer algum nível de proximidade entre os microrganismos e o eletrodo e a taxa total de transferência de elétron é relacionada à área do eletrodo em contato íntimo com microrganismos. Uma vez que um eletrodo poroso que permite que os microrganismos entrem nos poros tem uma área superficial muito maior em proximidade aos microrganismos que um eletrodo planar de dimensões equivalentes, espera-se que o eletrodo poroso fornece densidade de corrente volumétrica superior.

[0042] Um material do cátodo poroso adequado pode ser fornecido por espuma de carbono vítrea reticulada, conforme demonstrado no exemplo 1. Ele é barato e condutor. Sua estrutura porosa fornece conexões elétricas a inúmeros microrganismos permitindo uma alta produtividade volumétrica. Adicionalmente, a natureza vítrea do carbono fornece baixa atividade para produção de hidrogênio, que aumenta a eficiência tanto energética quanto Faradáica. Também percebe-se que carbono vítreo também é muito resistente à corrosão.

[0043] Outros materiais de eletrodo poroso adequados podem incluir, mas sem limitações, espuma de grafite (ver, por exemplo, patente U.S. 6033506, que está aqui incorporada pela referência na íntegra), materiais de carbono e grafite tecidos, carbono, grafite ou papel impregnado com nanotubo de carbono (ver, por exemplo, Hu, L, et al. Proc Nat Acad Sei USA 106: 21490-4 (2009), que está aqui incorporado pela referência na íntegra), e espumas de metal ou malha tecida ou não tecida composta dos materiais, tais como titânio, que são não reativos nas condições da reação e que apresentam uma alta razão superfície para volume.

[0044] Melhora adicional da transferência de elétron entre o cátodo e os microrganismos pode ser alcançada com fibras condutoras. Fibras condutoras adequadas podem consistir em condutor gerado pelos microrganismos conforme descrito em mais detalhe a seguir. Alternativa ou adicionalmente, nanofios, tais como nanotubos de carbono (lijima, S. Nature 354:56 (1991), que está aqui incorporado pela referência na íntegra), podem ser anexados diretamente ao cátodo. Wang, J. et al, J. Am. Chem. Soc. 125:2408-2409 (2003) e referências nele, todos os quais estão aqui incorporados pela íntegra, fornecem técnicas para modificar eletrodos de carbono vítreo com nanotubos de carbono. Adicionalmente, polímeros orgânicos condutores podem ser usados para este propósito (ver, por exemplo, Jiang, P. Angewandte Chemie 43:4471-4475 (2004), que está aqui incorporado pela referência na íntegra). Materiais não condutores que se ligam os microrganismos à superfície do eletrodo também podem melhorar a transferência de elétron. Ligantes não condutores adequados incluem, mas sem limitações, polímeros policatiônicos, tais como poli-lisina ou poli(beta -aminosulfonamidas). Os microrganismos metanogênicos vivos também podem produzir materiais biológicos, tais como os que suportam formação de biopelícula, que efetivamente os ligam à superfície do eletrodo.

[0045] O anodo 110 pode compreender uma camada catalítica Pt-carbono ou outros materiais conhecidos por fornecer baixo sobrepotencial para a oxidação de água a oxigênio.

[0046] Conforme ilustrado na figura 3, uma fonte de eletricidade 120 é acoplada ao anodo 110 e ao cátodo 108. Conforme mencionado anteriormente, a fonte 120 pode ser gerada de fontes renováveis de carbono livre. Em particular, a fonte 120 pode ser gerada de fontes renováveis de carbono livre, tais como fontes solares (por exemplo, arranjos de célula fotovoltáica) e fontes de vento (por exemplo, turbinas de vento). Entretanto, de acordo com outras modalidades, a fonte 120 pode ser uma instalação de energia de carvão, uma célula combustível, uma instalação de energia acionada nuclear. De acordo com modalidades ainda adicionais, a fonte 120 pode ser um conector a um sistema de transmissão elétrica de energia. Detalhes adicionais são fornecidos a seguir.

[0047] Com base nos modelos computacionais dinâmicos dos eletrodos porosos contendo eletrólito aquoso, acredita-se que a condutividade ideal do eletrólito do cátodo é preferivelmente na faixa de 0,01 a 0,25 S/cm ou superior no estado de operação do reator. Maior condutividade do eletrólito pode reduzir perdas ôhmicas no reator e assim pode aumentar a eficiência de conversão de energia. Modelos computacionais ainda sugerem que a espessura ideal do cátodo poroso (perpendicular aos planos das camadas do reator) pode ser entre 0,2 cm e 0,01 cm, ou menos. Camadas de cátodo mais finas podem ter menor resistência ôhlmica em um dado conjunto de condições de operação e assim podem ter uma maior eficiência de conversão de energia.

[0048] O reator biológico 102 pode operar a uma densidade de corrente elétrica acima de 6 mA/cm2. Por exemplo, o reator biológico 102 pode operar a uma densidade de corrente elétrica entre 6 e 10 mA/cm2. De acordo com certas modalidades, o reator biológico 102 pode operar em densidades de corrente elétrica pelo menos uma ordem, de magnitude maior (por exemplo, 60-100 mA/cm2). A corrente pode ser fornecida como corrente direta ou pode ser fornecida como corrente pulsada, tais como de corrente de alternador retificado. A frequência de tal corrente pulsada não é reservada pelas propriedades do reator. A frequência da corrente pulsada pode ser variável, tais como a gerada por turbinas de velocidade variável, por exemplo, turbinas de vento que não têm motor de velocidade constante.

[0049] Os microrganismos metanogênicos vivos (por exemplo, archaea metanogênica autotrófica e/ou hidrogenotrófica) podem ser impregnados no cátodo 108. Embora várias modalidades e variantes dos microrganismos sejam descritas em mais detalhes na seguinte seção, nota-se que os microrganismos podem ser uma cepa de archaea adaptada às condições de crescimento quase estacionárias de acordo com certas modalidades da presente descrição. Além disso, de acordo com certas modalidades da presente descrição, os microrganismos podem ser Archaea do sub-reino Euryarchaeota, em particular, os microrganismos podem consistir essencialmente em Methanothermobacter thermautotrophicus.

[0050] Conforme explicado em mais detalhe a seguir, o reator biológico 102 pode ter um estado de operação em que a cultura é mantida a uma temperatura acima de 50 °C, embora certas modalidades possam ter um estado de operação na faixa de entre aproximadamente 60 °C e 100 °C. O reator biológico 102 também pode ter um estado dormente em que eletricidade e/ou dióxido de carbono não é abastecida no reator 102. De acordo com um estado dormente como este, a produção de metano pode ser significativamente reduzida com relação ao estado de operação, de maneira tal que a produção pode ser várias ordens de magnitude menor que o estado de operação, e desta maneira o requerimento de energia elétrica de entrada e para dióxido de carbono de entrada pode ser várias ordens de magnitude menor que o estado de operação. De acordo com certas modalidades da presente descrição, o reator biológico 102 pode alterar entre o estado de operação e o estado dormente ou entre estado dormente e estado de operação sem a adição de microrganismos ao reator 102. Adicionalmente, de acordo com certas modalidades, o reator 102 pode alterar entre estado dormente e de operação rapidamente e a temperatura do reator 102 pode ser mantida durante o estado dormente para facilitar a rápida mudança.

[0051] O reator biológico 102 pode ter uma entrada 130 conectada à primeira câmara para receber dióxido de carbono gasoso. A entrada 130 pode ser acoplada a uma fonte de dióxido de carbono 132 para acoplar o fornecimento de dióxido de carbono na primeira câmara 104. O reator biológico 102 também pode ter uma saída 134 para receber metano da primeira câmara.

[0052] O reator biológico 102 também pode ter uma saída 136 conectada à segunda câmara 106 para receber subprodutos. Por exemplo, oxigênio gasoso pode ser gerado na segunda câmara 106 como um subproduto da produção de metano na primeira câmara 104. De acordo com certas modalidades, oxigênio pode ser o único subproduto gasoso do reator biológico 102. Em qualquer evento, o oxigênio gasoso pode ser recebido pela saída 134 conectada à segunda câmara 106.

[0053] De acordo com a descrição da figura 3, um método da presente descrição pode incluir fornecer eletricidade ao anodo 110 e ao cátodo 108 do reator biológico 102 tendo pelo menos a primeira câmara 104 contendo pelo menos o cátodo 108, uma cultura compreendendo microrganismos metanogênicos vivos (por exemplo, archaea metanogênica autotrófica e/ou hidrogenotrófica), e água (por exemplo, como parte de um meio eletrolítico aquoso compatível com os microrganismos vivos), e a segunda câmara 106 contendo pelo menos o anodo 110, em que a cultura é mantida a uma temperatura acima de 50 °C. Ainda, o método pode incluir gerar eletricidade de fontes renováveis de carbono livre, tais como de fontes solar e de vento, conforme notado anteriormente. De acordo com certas modalidades, eletricidade pode ser fornecida durante um período de demanda não pico. Detalhes adicionais são fornecidos na seção III, a seguir.

[0054] O método também pode incluir fornecer dióxido de carbono na primeira câmara 104. Conforme notado anteriormente, o método pode incluir reciclar dióxido de carbono de pelo menos uma fonte industrial concentrada ou dióxido de carbono atmosférico, cujo dióxido de carbono é fornecido à primeira câmara 104.

[0055] O método pode ainda incluir coletar metano da primeira câmara 104. O método pode ainda incluir armazenar e transportar o metano. O método também pode incluir coletar outros produtos gasosos ou subprodutos do reator biológico; por exemplo, o método pode incluir coletar oxigênio da segunda câmara 106.

[0056] Percebe-se que embora o sistema da figura 3 possa ser visto como operação para converter eletricidade em metano, também é possível ver o sistema da figura 3 como operação para criar ou adquirir créditos de carbono, como uma alternativa ao sequestro de carbono, por exemplo. De acordo com um método como este, o método pode incluir fornecer eletricidade ao anodo 110 e ao cátodo 108 do reator biológico 102 tendo pelo menos a primeira câmara 104 contendo pelo menos o cátodo 108, microrganismos metanogênicos (por exemplo, archaea metanogênica), e água (por exemplo, como parte de um meio eletrolítico aquoso compatível com os microrganismos vivos), e uma segunda câmara contendo pelo menos o anodo, em que a cultura é mantida a uma temperatura acima de 50 °C. O método também pode incluir fornecer dióxido de carbono na primeira câmara 104. Finalmente, o método pode incluir receber créditos de carbono para o dióxido de carbono convertido no reator biológico 102 em metano. De acordo com um método como este, o dióxido de carbono pode ser reciclado de uma fonte industrial concentrada.

[0057] Percebe-se que o sistema 100 é somente uma modalidade como esta de um sistema de acordo com a presente descrição. Modalidades e variantes adicionais do sistema 100 são ilustrados nas figuras 4-10, e serão descritos na seguinte seção. Embora estas modalidades sejam geralmente mostradas em seção transversal, assumindo uma forma geralmente cilíndrica para o reator e formas de disco para o anodo e cátodo, que pode ser arranjado paralelo um ao outro conforme ilustrado, percebe-se que outras geometrias podem ao contrário ser usadas.

[0058] Figura 4 ilustra um sistema 200 que inclui um reator biológico 202, uma fonte de eletricidade 204 e uma fonte de dióxido de carbono 206. Conforme ilustrado, a fonte de eletricidade 204 e a fonte de dióxido de carbono 206 são ambas acopladas ao reator biológico 202. O reator biológico 202 usa um meio líquido/gás circulante, conforme explicado em mais detalhe a seguir.

[0059] O reator biológico 202 inclui um alojamento 210 que define, em parte, primeira e segunda câmaras 212, 214. O reator 202 também inclui um cátodo 216 disposto na primeira câmara 212, e um anodo 218 disposto na segunda câmara 214. A primeira e segunda câmaras 212, 214 são separadas por barreira permeável ao próton, impermeável ao gás 220, a barreira 220 tendo superfícies 222, 224 que também definem em parte a primeira e segunda câmaras 212, 214.

[0060] O reator biológico 202 também inclui coletores de corrente 230, 232, cada um para o cátodo 216 e o anodo 218. O coletor de corrente 230 para o cátodo 216 pode ser feito como um disco sólido de material, de maneira tal a manter uma condição selada na câmara 212 entre uma entrada 234 para o dióxido de carbono e uma saída 236 para o metano (e potencialmente subprodutos). A entrada 234 e a saída 236 podem ser definidas no alojamento 210. O coletor de corrente 232 para o anodo 218 também pode definir uma camada de difusão de gás porosa, na qual a camada de catalisador do anodo é disposta. Percebe-se que uma camada de difusão de gás porosa pode ser fornecida de maneira tal a permitir subprodutos gasosos para sair da segunda câmara 214, em virtude de a barreira 220 evitar sua saída através da saída 236 pela primeira câmara 212.

[0061] Conforme descrito anteriormente, o cátodo 216 é feito de um material poroso, tais como uma espuma de carbono reticulada. O cátodo 216 é impregnado com os microrganismos metanogênicos e com o meio eletrolítico aquoso. Os microrganismos metanogênicos (por exemplo, archaea) estão assim em uma passagem 238 formada entre a barreira 220 e o coletor de corrente 230 entre a entrada 234 e a saída 236.

[0062] Na operação, dióxido de carbono é dissolvido no meio eletrolítico aquoso e é circulado através do cátodo 216. Os microrganismos metanogênicos podem residir no meio eletrolítico circulante ou podem ser ligados ao cátodo poroso 216. Na presença de uma corrente elétrica, os microrganismos metanogênicos processam o dióxido de carbono para gerar metano. O metano é carregado pelo meio eletrolítico para fora do reator 202 pela saída 236. De acordo com uma modalidade como esta, equipamento pós-processamento, tais como um separador líquido/gás, pode ser conectado à saída para extrair o metano da solução.

[0063] Figura 5 ilustra um sistema 250 incluindo um reator 252 que é uma variante do ilustrado na figura 4. Similar ao reator 202, o reator 252 inclui um alojamento 260 que define, em parte, primeira e segunda câmaras 262, 264. O reator 252 também inclui um cátodo 266 disposto na primeira câmara 262, e um anodo 268 disposto na segunda câmara 264. A primeira e segunda câmaras 262, 264 são separadas por barreira permeável ao próton, impermeável ao gás 270, a barreira 270 tendo superfícies 272, 274 que também definem em parte a primeira e segunda câmaras 262, 264.

[0064] Diferente d modalidade ilustrada na figura 4, a modalidade ilustrada na figura 5 também inclui uma camada de difusão de gás porosa, que conduz próton 280. A camada de difusão de gás 280 é disposta entre o cátodo 266 e a barreira 270. Usando esta camada de difusão de gás 280, dióxido de carbono gasoso pode entrar na primeira câmara 212 através da camada de difusão de gás 280 e então difundir no cátodo 266, enquanto que metano gasoso produzido pelos microrganismos pode difundir do cátodo 266 na camada 280 e então sair da primeira câmara 212. Camadas de difusão de gás que conduzem próton adequadas para uso como camada 280 podem ser produzidas revestindo materiais porosos com ionômero que conduz próton, incorporando ionômero diretamente na matriz porosa, ou por derivação química dos materiais da matriz porosa com sulfato, fosfato, ou outros grupos que promovem condução de próton, por exemplo.

[0065] Assim percebe-se que o dióxido de carbono e o metano não são carregados por um meio líquido circulante de acordo com a modalidade da figura 5. Ao contrário, a cultura e o meio estão contidos na primeira câmara 262, enquanto que somente o dióxido de carbono gasoso e o metano circulam entre entrada e saída. Uma modalidade como esta pode apresentar certas vantagens com relação ao reator 202 da figura 4, em que o manuseio do metano pós-processamento ou geração podem ser simplificados. Ainda, a ausência de um meio líquido circulante no reator 202 pode simplificar a conexão em série entre múltiplos reatores, conforme ilustrado na figura 11. Entretanto, embora o meio circulante na modalidade da figura 4 forneça qualquer água requerida pela cultura, pode ser necessário acoplar equipamento ao reator para fornecer vapor de água à cultura, além do dióxido de carbono gasoso. O meio eletrolítico e microrganismos podem ser retidos nos poros do cátodo 266 por tensão superficial ou alternativamente incluindo materiais no eletrólito que aumentam sua viscosidade ou formam um gel.

[0066] Figura 6 ilustra um sistema 300 incluindo um reator 302 que é uma variante do ilustrado na figura 5. Similar aos reatores 202 e 252, o reator 302 inclui um alojamento 310 que define, em parte, primeira e segunda câmaras 312, 314. O reator 302 também inclui um cátodo 316 disposto na primeira câmara 312, e um anodo 318 disposto na segunda câmara 314. A primeira e segunda câmaras 312, 314 são separadas por barreira permeável ao próton, impermeável ao gás 320, a barreira 320 tendo superfícies 322, 324 que também definem em parte a primeira e segunda câmaras 312, 314.

[0067] Além disso, similar à modalidade ilustrada na figura 5, a modalidade ilustrada na figura 6 também inclui uma camada de difusão de gás porosa, que conduz próton 330. Entretanto, a camada de difusão de gás 330 não é disposta entre o cátodo 316 e a barreira 320, ao contrário é disposta entre o cátodo 316 e o coletor de corrente 332. Neste arranjo, a camada de difusão de gás 330 é condutora de corrente em vez de condutora de próton como a camada de difusão de gás 280 no reator 252. Corrente pode passar através da camada 330 no cátodo 316. Como no reator 252, o dióxido de carbono ainda pode entrar na primeira câmara 312 passar através da camada de difusão de gás 330 e difundir no cátodo 316, enquanto que metano produzido pelos microrganismos pode difundir do cátodo 316 através da camada 330.

[0068] Como um resultado, a modalidade da figura 6 ilustra um reator em que o dióxido de carbono gasoso entra no cátodo de um lado ou ao longo de um caminho oposto ao dos prótons. Por comparação, a modalidade da figura 5 ilustra um reator em que o dióxido de carbono gasoso e os prótons entram no cátodo do mesmo lado ou ao longo de um caminho similar. A contra-difusão da modalidade da figura 6 pode fornecer produção mais lenta que da figura 5, mas pode fornecer níveis de produção aceitáveis. Como para o material usado para a barreira 320 de acordo com uma modalidade como esta, acredita-se que uma espuma de carbono porosa impregnada com partículas de Nation pode ser adequada.

[0069] Figuras 7-10 ilustram um sistema 400 incluindo um reator biológico 402 que salienta vários aspectos da presente descrição acima e abaixo dos ilustrados nas figuras 2-6. Em particular, embora a natureza geral do reator (com primeira e segunda câmaras, anodo, cátodo, barreira, microrganismos, e meio eletrolítico aquoso) tenha muito em comum com os sistemas ilustrados nas figuras 2-6, o reator 402 ilustra novas geometrias, bem como um reator em que uma pluralidade dos ânodos e uma pluralidade dos cátodos está presente.

[0070] Em particular, conforme ilustrado na figura 7, o reator 402 inclui inúmeras subunidades do reator tubular 404 que podem ser arranjadas em um formato de matriz. Percebe-se que o arranjo particular das subunidades 404 utiliza uma compensação com relação ao arranjo de linhas adjacentes às subunidades 404, de maneira a aumentar o número de subunidades 404 em um volume. Também se percebe que linhas adjacentes de subunidades 404 podem ser alinhadas uma com a outra. Também se percebe que embora quarto linhas de cinco subunidades 404 cada e quatro linhas de quatro subunidades 404 cada tenham sido ilustradas, isto não deve ser tomado como limitando do reator 402.

[0071] Figura 8 ilustra uma pluralidade de subunidades em seção transversal, de maneira a apreciar as similaridades e diferenças com os sistemas ilustrados nas figuras 2-6 anteriores. Embora não precise ser o caso para todas as modalidades, cada uma das subunidades 404 ilustradas na figura 8 é idêntica, de maneira tal que a discussão de qualquer uma das subunidades 404 pode ser inclusiva de remarcações que podem ser feitas igualmente com relação a outras subunidades 404.

[0072] Conforme visto na figura 8, o reator 402 inclui um alojamento 410, em que as subunidades 404 são dispostas. Percebe-se que o alojamento 410 é selado contra vazamento de produtos e subprodutos conforme explicado em mais detalhe a seguir. Disposto em uma extremidade do alojamento 410 é um coletor de corrente comum 412 que é conectado a um cátodo geralmente tubular 414 de cada uma das subunidades 404. De uma maneira similar, o reator 402 inclui uma camada de difusão de gás porosa/coletor de corrente 416 que é conectada a um anodo geralmente tubular 418 de cada subunidade 404. Disposto entre o cátodo 414 e o anodo 418 está uma barreira permeável ao próton, impermeável ao gás geralmente tubular 420, conforme discutido em mais detalhe anteriormente. Este arranjo também é ilustrado na figura 9.

[0073] De acordo com esta modalidade, o dióxido de carbono entra no reator 402 por uma entrada 430 e se move ao longo de uma passagem 432. O dióxido de carbono então passa ao longo do cátodo poroso 414, que é impregnado com microrganismos metanogênicos e meio eletrolítico aquoso. O metano produzido no cátodo 414 então é coletado em um espaço 434 que é conectado à saída 436. Figura 10 ilustra uma variante para a subunidade 404 ilustrada com relação ao sistema 400 nas figuras 7 e 8. Dadas as similaridades entre a subunidade 404 e sua variante, as estruturas comuns serão designadas com um iniciador.

[0074] Conforme ilustrado na figura 10, a subunidade 404’ inclui um cátodo tubular 414’, um anodo tubular 418’ e uma barreira tubular 420’. Como na subunidade 404, o cátodo tubular 414’ é disposto centralmente da subunidade 404’, com o anodo 418’ disposto radialmente para fora do cátodo 416’ e a barreira 420’ disposta entre eles. Entretanto, similar às variantes descritas na figura 5, a subunidade 404’ inclui uma camada de difusão de gás que conduz próton porosa 440. Esta camada 440 pode estar em comunicação com a passagem 432 e o espaço 434 em um reator 402, em vez do cátodo 414’. Como tal, dióxido de carbono pode passar da entrada 430 através da camada 440 para o cátodo 414’, enquanto que metano pode passar do cátodo 414’ através da camada 440 para a saída 436. Um arranjo similar à figura 10, mas com uma camada de difusão de gás eletricamente condutora disposta como na figura 6 entre o cátodo 414’ e o coletor de corrente 412’ também é possível.

[0075] Figuras 11 e 12 ilustram duas diferentes opções de gerenciamento de energia que podem ser usados com qualquer um dos reatores descritos anteriormente. Com relação a isto, percebe-se que cada um dos sistemas 450, 452 ilustrados nas figuras 11 e 12 pode incluir uma pluralidade de reatores individuais 454, 456.

[0076] Na figura 11, os reatores individuais 454 são conectados em série para atender uma voltagem fixa ou constante. O sistema 450 acomoda uma corrente variável fornecendo uma pluralidade de conectores 458 para permitir que cadeias em série adicionais 454 sejam trocadas no circuito para atender corrente variável. Na figura 12, os reatores individuais 456 são conectados em paralelo para atender uma corrente fixa ou constante. O sistema 452 acomoda uma voltagem variável fornecendo pares de conectores 460 para permitir que planos paralelos adicionais dos reatores 456 sejam trocados no circuito para atender à voltagem variável. Percebe-se que também pode ser possível endereçar aplicações de corrente variável e voltagem variável com troca de maneira tal a construir panos do reator paralelo dinâmico e ajustar os comprimentos das cadeias em série conforme necessário.

II. Culturas compreendendo microrganismos metanogênicos

[0077] Culturas

[0078] Com relação à presente invenção, o reator (também referido aqui como o reator eletrometanogênico, o reator de metanogênese eletrobiológico, o reator biológico, o biorreator, etc.) compreende uma cultura compreendendo microrganismos metanogênicos (um termo usado indiferentemente com “metanógenos”). O termo “cultura” da forma aqui usada refere-se a uma população de microrganismos vivos em um meio de cultura ou nele. Quando parte do reator, o meio de cultura também serve como o meio eletrolítico que facilita condução elétrica no reator.

Monoculturas, Culturas substancialmente puras

[0079] Em algumas modalidades, a cultura é uma monocultura e/ou é uma cultura substancialmente pura. Da forma aqui usada o termo “monocultura” refere-se a uma população de microrganismos derivados ou descendentes de uma única espécie (que pode englobar múltiplas cepas) ou uma única cepa de microrganismo. A monocultura em alguns aspectos é “pura” isto é, quase homogênea, exceto que (a) mutações que ocorrem naturalmente que podem ocorrer na progene e (b) contaminação natural por microrganismos não metanogênicos que resultam da exposição a condições não estéreis. Organismos em monoculturas podem crescer, ser selecionados, adaptados, manipulados, modificados, mutados ou transformados, por exemplo, por seleção ou adaptação em condições específicas, irradiação, ou técnicas de DNA recombinante, sem perder sua natureza de monocultura.

[0080] Da forma aqui usada, uma “cultura substancialmente pura” refere-se a uma cultura que substancialmente não tem microrganismos a não ser a espécie ou cepa(s) desejada do microrganismo. Em outras palavras, uma cultura substancialmente pura de uma cepa de microrganismo é substancialmente livre de outros contaminantes, que podem incluir contaminantes microbianos (por exemplo, organismos de diferentes espécies ou cepas). Em algumas modalidades, a cultura substancialmente pura é uma cultura em que mais que ou cerca de 70 %, mais que ou cerca de 75 %, mais que ou cerca de 80 %, mais que ou cerca de 85 %, mais que ou cerca de 90 %, mais que ou cerca de 91 %, mais que ou cerca de 92 %, mais que ou cerca de 93 %, mais que ou cerca de 94 %, mais que ou cerca de 95 %, mais que ou cerca de 96 %, mais que ou cerca de 97 %, mais que ou cerca de 98 %, mais que ou cerca de 99 % da população total dos microrganismos da cultura é um microrganismo de espécie ou cepa metanogênica único. A título de exemplo, em algumas modalidades, a cultura substancialmente pura é uma cultura em que mais que 70 %, 75 %, 80 %, 85 %, 90 %, 91 %, 92 %, 93 %, 94 %, 95 %, 96 %, 97 %, 98 %, 99 % ou mais da população total dos microrganismos da cultura é uma espécie de microrganismo metanogênico única, por exemplo, Methanothermobacter thermautotrophicus.

[0081] Quando inicialmente ajustado, o reator biológico é inoculado com uma monocultura pura ou substancialmente pura. A medida em que o reator biológico é exposto a condições não estéreis durante a operação, o reator biológico pode ser contaminado por outros microrganismos não metanogênicos no ambiente sem significativamente impactar na eficiência da operação por um período de 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 meses, ou 1,5 ou 2 anos.

Culturas mistas

[0082] Em outras modalidades, a cultura compreende uma pluralidade de (por exemplo, uma mistura ou combinação de duas ou mais) diferentes espécies dos microrganismos metanogênicos. Em alguns aspectos, a cultura compreende duas, três, quatro, cinco, seis, sete, oito, nove, dez ou mais diferentes espécies dos microrganismos metanogênicos. Em alguns aspectos, a cultura compreende uma pluralidade de diferentes espécies dos microrganismos metanogênicos, mas a cultura é substancialmente livre de qualquer microrganismo não metanogênico.

[0083] Ainda em outras modalidades, a cultura compreende uma pluralidade de microrganismos de diferentes espécies, em que pelo menos um é um microrganismo metanogênico. Em alguns aspectos desta modalidade, a cultura compreende pelo menos uma espécie de microrganismo metanogênico e ainda compreende pelo menos um microrganismo não metanogênico selecionado. Em alguns aspectos, a cultura compreende duas ou mais diferentes espécies de metanógenos, e, opcionalmente compreende pelo menos um microrganismo não metanogênico selecionado.

[0084] Culturas adequadas das misturas de dois ou mais micróbios também são prontamente isoladas das fontes ambientais especificadas (Bryant et al. Archiv Microbiol 59:20-31 (1967) “Methanobacillus omelianskii, a symbiotic association of two species of bacteria”, que está aqui incorporado pela referência na íntegra). Misturas adequadas podem ser consórcios em que células de duas ou mais espécie são fisicamente associadas ou elas podem ser misturas sintróficas em que duas ou mais espécie cooperam metabolicamente sem associação física. Também, misturas adequadas podem ser consórcio em que células de duas ou mais espécie são fisicamente associadas e elas podem ser misturas sintróficas em que uma ou mais espécie cooperam metabolicamente com associação física. Culturas mistas podem ter propriedades úteis além das disponíveis de culturas puras de metanógenos hidrogenotróficos conhecidos. Estas propriedades podem incluir, por exemplo, resistência a contaminantes em uma corrente de alimentação de gás, tais como oxigênio, etanol, ou outros componentes traços, ou crescimento agregado, que podem aumentar a densidade da cultura e capacidade de processamento de gás volumétrico da cultura. Um outro contaminante na corrente de alimentação de gás pode ser monóxido de carbono.

[0085] Culturas adequadas de organismos mistos também podem ser obtidas combinando culturas isoladas de duas ou mais fontes. Uma ou mais das espécies em uma cultura mista adequada pode ser um metânogeno Archaeal. Qualquer espécie não Archaeal pode ser bacteriana ou eucariótica.

[0086] Culturas mistas foram descritas na tecnologia. Ver, por exemplo, Cheng et al., U.S. 2009/0317882, e Zeikus US 2007/7250288, cada um dos quais está aqui incorporado pela referência.

Estados do reator e Fases de crescimento

[0087] Da forma aqui descrita, o reator pode estar em um estado dormente (por exemplo, desligado) ou em um estado de operação (por exemplo, ligado) com relação à produção de metano e, consequentemente, o reator pode ser ligado ou desligado conforme desejado de acordo com a necessidade ou desejo para a produção de metano. Em algumas modalidades, os microrganismos metanogênicos da cultura estão em um estado que está em conformidade com o estado do reator. Desta forma, em algumas modalidades, os microrganismos metanogênicos estão em um estado dormente em que os microrganismos metanogênicos não estão produzindo metano (por exemplo, não produzem metano em um nível detectável). Em modalidades alternativas, os microrganismos metanogênicos estão em um estado de operação em que os microrganismos metanogênicos estão produzindo metano (por exemplo, produzindo metano em um nível detectável).

[0088] Quando os microrganismos metanogênicos estão no estado de operação, os microrganismos metanogênicos podem ser em um de uma variedade de fases de crescimento, que diferem com relação à taxa de crescimento dos microrganismos (que pode ser expresso, por exemplo, como tempo de duplicação do número de microrganismo ou massa celular). As fases do crescimento tipicamente observadas incluem uma fase lag, uma fase de crescimento ativo (também conhecida como fase exponencial ou logarítmica quando os microrganismos se multiplam rapidamente), uma fase estacionária, e um fase de morte (declínio exponencial ou logarítmico no número de células). Em alguns aspectos, os microrganismos metanogênicos do reator biológico estão em uma fase lag, uma fase de crescimento ativo, uma fase estacionária, ou uma fase quase estacionária.

Fase de crescimento ativo

[0089] Em algumas modalidades, os microrganismos metanogênicos estão em uma fase de crescimento ativo em que os microrganismos metanogênicos estão ativamente se multiplicando em uma taxa rápida.

[0090] Em alguns aspectos, durante a operação do reator biológico, o tempo de duplicação dos microrganismos pode ser rápido ou similar ao observado durante a fase de crescimento em seu ambiente natural ou em um ambiente rico em nutriente. Por exemplo, o tempo de duplicação de muitos microrganismos metanogênicos na fase de crescimento ativo é cerca de 15 minutos, cerca de 20 minutos, cerca de 30 minutos, cerca de 45 minutos, cerca de 60 minutos, cerca de 75 minutos, cerca de 80 minutos, cerca de 90 minutos, ou cerca de 2 horas.

Fase de crescimento estacionária, fase de crescimento quase estacionária

[0091] Fase estacionária representa uma fase de crescimento em que, depois da fase logarítmica ou de crescimento ativo, a taxa de divisão celular e a taxa de morte celular estão em equilíbrio ou quase equilíbrio, e assim uma concentração relativamente constante dos microrganismos é mantida no reator. (Ver, Eugene W. Nester, Denise G. Anderson, C. Evans Roberts Jr., Nancy N. Pearsall, Martha T. Nester; Microbiology: A Human Perspective, 2004, Quarta edição, Capítulo 4, que está aqui incorporado pela referência na íntegra).

[0092] Em outras modalidades, os microrganismos metanogênicos estão em uma fase de crescimento estacionária ou fase de crescimento quase estacionária em que os microrganismos metanogênicos não crescem rapidamente ou têm uma taxa de crescimento substancialmente reduzida. Em alguns aspectos, o tempo de duplicação dos microrganismos metanogênicos é cerca de 1 semana ou mais, incluindo cerca de 2, 3, 4 semanas ou mais, ou 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12 meses ou mais.

[0093] Em algumas modalidades, o reator compreende uma cultura compreendendo microrganismos metanogênicos, cujos microrganismos estão inicialmente em uma fase de crescimento ativo, e subsequentemente em uma fase estacionária ou quase estacionária. Em algumas modalidades, o reator compreende uma cultura compreendendo microrganismos metanogênicos que circula entre um estado dormente ou de operação.

Metanoqênese

[0094] Da forma aqui usada, o termo “metanogênico” refere-se aos microrganismos que produzem metano como um subproduto metabólico. Em algumas modalidades, o reator (também aqui referenciado indiferentemente como reator eletrometanogênico, reator biológico ou biorreator, etc.) compreende uma cultura compreendendo microrganismos metanogênicos hidrogenotróficos. Da forma aqui usada, o termo “hidrogenotrófico” refere-se a um microrganismo capaz de converter hidrogênio a um outro composto como parte de seu metabolismo. Microrganismos metanogênicos hidrogenotróficos são capazes de utilizar hidrogênio na produção de metano. Em algumas modalidades, o reator compreende uma cultura compreendendo microrganismos metanogênicos autotróficos. Da forma aqui usada, o termo “autotrófico” refere-se a um microrganismo capaz de usando dióxido de carbono e uma fonte de redução de energia para fornecer todo carbono e energia necessários para crescimento e manutenção da célula (por exemplo, microrganismo). Fontes de redução de energia adequadas podem incluir, mas sem limitações, hidrogênio, sulfito de hidrogênio, enxofre, ácido fórmico, monóxido de carbono, metais reduzidos, açúcares (por exemplo, glicose, frutose), acetato, fótons, ou eletrodos catódicos ou uma combinação destes. Em alguns aspectos, os microrganismos metanogênicos produzem metano a partir de dióxido de carbono, eletricidade, e água, um processo referido como metanogênese eletrobiológica.

[0095] Os microrganismos metanogênicos produzem quantidades substanciais de metano no estado de operação, da forma aqui descrita. Em alguns aspectos, os microrganismos metanogênicos produzem metano em uma fase de crescimento ativo ou fase de crescimento estacionária ou fase de crescimento quase estacionária.

[0096] A eficiência de produção de metano por molécula de dióxido de carbono (CO2) pelos microrganismos metanogênicos pode ser qualquer eficiência adequada para os propósitos aqui. Também reportou-se que microrganismos metanogênicos que ocorrem naturalmente na fase de crescimento ativo produzem metano em uma razão de cerca de 8 moléculas de CO2 convertidas ao metano por molécula de CO2 convertida ao material celular, variando até uma razão de cerca de 20 moléculas de CO2 convertidas a metano por molécula de CO2 convertido a material celular. Em algumas modalidades, os microrganismos metanogênicos do reator biológico da presente invenção demonstram uma maior eficiência, particularmente quando adaptados às condições de crescimento da fase estacionária. Desta maneira, em alguns aspectos, a razão do número de moléculas de CO2 convertidas a metano para o número de moléculas de CO2 convertidas a material celular é maior que a razão de microrganismos metanogênicos que ocorrem naturalmente na fase de crescimento ativo. Em modalidades exemplares, a razão do número de moléculas de C02 convertidas a metano para o número de moléculas de CO2 convertidas a material celular é N:1, em que N é um número maior que 20, por exemplo, cerca de 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, ou superior. Em alguns aspectos, N é menor que 500, menor que 400, menor que 300, ou menor que 200. Em alguns aspectos, N varia de cerca de 40 a cerca de 150.

Archaea Archaea que ocorre naturalmente

[0097] Em algumas modalidades, os microrganismos metanogênicos, por exemplo, os microrganismos metanogênicos autotróficos, são archaea. O termo “Archaea” refere-se a uma categorização de organismos da divisão Mendosicutes, tipicamente encontrados em ambientes não usuais e distinguidos do resto dos procariotas por vários critérios, incluindo lipídeos de membrana ligados ao éter e falta de ácido murâmico nas paredes celulares. Com base na análise de RNAssr, o Archaea consiste em dois grupos filogeneticamente distintos: Crenarchaeota e Euryarchaeota. Com base na sua fisiologia, o Archaea pode ser organizado em três agrupamentos que se sobrepõe parcialmente: metanógenos (procariotas que produzem metano); halófilos extremos (procariotas que vivem em concentrações muito altas de sal (NaCI); e termófilos (hiper) extremos (procariotas que vivem em temperaturas muito altas - por exemplo, 50-122 °C). Além das características archaeal unificadas que as distinguem das bactérias (isto é, nenhuma mureína na parede celular, lipídeos de membrana ligados ao éter, etc.), estes procariotas apresentam atributos estruturais e bioquímicos únicos que os adaptam a seus habitats particulares. O Crenarchaeota consiste principalmente em procariotas dependentes de enxofre hipertermofílicos e o Euryarchaeota contém os metanógenos e halófilos extremos.

[0098] Metanógenos (ou metanobactérias) adequados para a prática da invenção são prontamente obtidos de coleções públicas de organismos ou podem ser isolados de uma variedade de fontes ambientais. Tais fontes ambientais incluem solos e areias anaeróbicas, turfeiras, pântanos, regiões pantanosas, estuários, tapetes de algas densos, lodo e sedimento tanto terrestre quanto marinho, sítios de oceano profundo e de poço profundo, esgoto e sítios de resíduo orgânico e fábricas de tratamento e tratos intestinais de animal e fezes. Exemplos de organismos adequados foram classificados em quatro diferentes gêneros na classe das metanobactérias (por exemplo, Methanobacterium alcaliphilum, Methanobacterium bryantii, Methanobacterium congolense, Methanobacterium defluvii, Methanobacterium espanolae, Methanobacterium formicicum, Methanobacterium ivanovii, Methanobacterium palustre, Methanobacterium thermaggregans, Methanobacterium uliginosum, Methanobrevibacter acididurans, Methanobrevibacter arboriphilicus, Methanobrevibacter gottschalkii, Methanobrevibacter olleyae, Methanobrevibacter rum inantium, Methanobrevibacter smithii, Methanobrevibacter woesei, Methanobrevibacter wolinii, Methanothermobacter marburgensis, Methanothermobacter thermautotróficoum (também known as Methanothermobacter thermoautotroiphicus), Methanothermobacter thermoflexus, Methanothermobacter thermophilus, Methanothermobacter wolfeii, Methanothermus sociabilis), 5 different genera within o Methanomicrobia classe (por exemplo, Methanocorpusculum bavaricum, Methanocorpusculum parvum, Methanoculleus chikuoensis, Methanoculleus submarinus, Methanogenium frigidum, Methanogenium liminatans, Methanogenium marinum, Methanosarcina acetivorans, Methanosarcina barkeri, Methanosarcina mazei, Methanosarcina thermophila, Methanomicrobium mobile), 7 diferentes gêneros na classe metanococos (por exemplo, Methanocaldococcus jannaschii, Methanococcus aeolicus, Methanococcus maripaludis, Methanococcus vannielii, Methanococcus voltaei, Methanothermococcus thermolithotrophicus, Methanocaldococcus fervens, Methanocaldococcus indicus, Methanocaldococcus infernus, Methanocaldococcus vulcanius), e um gênero na classe de Methanopyri (por exemplo, Methanopyrus kandleri). Culturas adequadas são disponíveis de coleções de cultura públicas (por exemplo, o American Type Culture Collection, o Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, e o Oregon Collection of Methanogenis). Em algumas modalidades, o metanógeno é selecionado do grupo que consiste em Methanosarcinia barkeri, Methanococcus maripaludis, e Methanothermobacter thermoautotrophycous.

[0099] Espécies adicionais de metanógenos adequados para os propósitos da presente invenção incluem, mas sem limitações, Methanobacterium formicum, Methanobrevibacter ruminantium, Methanocalculus chunghsingensis, Methanococcoides burtonii, Methanococcus deltae, Methanocorpusculum labreanum, Methanoculleus bourgensis (Metanógenoium olentangyi, Metanógenoium bourgense), Methanoculleus marisnigri, Methangenium cariaci, Metanógenoium organophilum, Methanopyrus kandleri, Methanoregula boonei. Em algumas modalidades, o reator biológico compreende uma cultura (por exemplo, monocultura ou cultura substancialmente pura) de microrganismos termofílicos ou hipertermofílicos, que também podem ser halófilos. Em algumas modalidades, o microrganismo metanogênico é do filo Euryarchaeota. Exemplos de espécies de metanógenos autotróficos termofíicos ou hipertermofílicos adequados para os propósitos da presente invenção incluem Methanocaldococcus fervens, Methanocaldococcus indicus, Methanocaldococcus infernos, Methanocaldococcus jannaschii, Methanocaldococcus vulcanius, Methanopyrus kandleri, Methanothermobacter defluvii, Methanothermobacter marburgensis, Methanothermobacter thermautotróficous, Methanothermobacter thermoflexus, Methanothermobacter thermophilus, Methanothermobacter wolfeii, Methanothermococcus okinawensis, Methanothermococcus thermolithotrophicus, Methanothermus fervidus, Methanothermus sociabilis, Methanotorris formicicus, e Methanotorris igneus.

[00100] De acordo com o exposto anteriormente, em algumas modalidades, os microrganismos metanogênicos são do super-reino Archaea, formalmente chamado Archaebacteria. Em certos aspectos, o archaea são do filo: Crenarchaeota, Euryarchaeota, Korarchaeota, Nanoarchaeota, ou Thaumarchaeota. Em alguns aspectos, o Crenarchaeota são da classe Thermoprotei. Em alguns aspectos, o Euryarchaeota são da classe: archaeoglobi, halobacteria, methanobacteria, methanococci, methanomicrobia, methanopyri, thermococci, thermoplasmata. Em algumas modalidades, o Korarchaeota são da classe: Candidatus Korarchaeum ou korarchaeote SRI-306. Em alguns aspectos, o Nanoarchaeota são da classe nanoarchaeum. Em alguns aspectos, o Thaumarchaeota é da classe Cenarchaeales ou grupo 1 de archaeal marinho.

[00101] Em algumas modalidades, os microrganismos metanogênicos são da ordem: Candidatus Korarchaeum, Nanoarchaeum, Caldisphaerales, Deenxofreococcales, Fervidicoccales, Sulfolobales, Thermoproteales, Archaeoglobales, Halobacteriales, Methanobacteriales, Methanococcales, Methanocellales, Methanomicrobiales, Methanosarcinales, Methanopyrales, Thermococcales, Thermoplasmatales, Cenarchaeales, ou Nitrosopumilales.

[00102] Em algumas modalidades, a cultura compreende uma espécie classificada da Archaea filo Euryarchaeota, incluindo, mas sem limitações, qualquer um dos apresentados na tabela 1. Em algumas modalidades, a cultura compreende uma espécie classificada de Euryarchaeota, incluindo, mas sem limitações, qualquer um dos apresentados na tabela 2. Em algumas modalidades, a cultura compreende uma espécie classificada de Archaea, incluindo, mas sem limitações, qualquer um dos apresentados na tabela 3.

[00103] Em algumas modalidades, a cultura compreende uma espécie classificada da Archaea filo Crenarchaeota, incluindo, mas sem limitações qualquer um dos apresentados na tabela 4. Em algumas modalidades, a cultura compreende uma espécie classificada da Archaea filo Crenarchaeota, incluindo, mas sem limitações, qualquer um dos apresentados na tabela 5.

[00104] A archaea listada nas tabelas 1-5 são conhecidas na tecnologia. Ver, por exemplo, as entradas para “Archaea” no website Taxonomy Browser of the National Center for Biotechnological Information (NCBI).

Archaea modificada

[00105] Qualquer um dos microrganismos metanogênicos que ocorrem naturalmente anteriores podem ser modificados. Desta maneira, em algumas modalidades, a cultura do reator compreende microrganismos metanogênicos que foram modificados (por exemplo, adaptados em cultura, geneticamente modificados) para apresentar ou compreender certas características que, opcionalmente, podem ser específicas para uma dada fase de crescimento (fase de crescimento ativo, fase de crescimento estacionária, fase de crescimento quase estacionária) ou reator estado (por exemplo, estado dormente, estado de operação). Por exemplo, em algumas modalidades, a cultura do reator compreende um microrganismo metanogênico que foi modificado para sobreviver e/ou crescer em uma condição de cultura desejada que é diferente de uma condição de cultura anterior em que o microrganismo metanogênico sobreviveu e/ou cresceu, por exemplo, o ambiente natural do qual o microrganismo foi isolado, ou uma condição de cultura previamente reportada na literatura. As condições de cultura desejadas podem diferir da ambiente anterior em temperatura, pH, pressão, densidade celular, volume, umidade, teor de sal, condutividade, teor de carbono, teor de nitrogênio, teor de vitamina, teor de aminoácido, teor de mineral, ou uma combinação destes. Em algumas modalidades, a cultura do reator biológico compreende um microrganismo metanogênico que, antes da adaptação em cultura ou modificação genética, é um que não é um halófilo e/ou não um termófilo ou hipertermófilo, mas, através da adaptação em cultura ou modificação genética, se tornou um halófilo e/ou termófilo ou hipertermófilo. Também, por exemplo, em algumas modalidades, o microrganismo metanogênico antes da modificação genética é um que não expressa uma proteína, mas através de modificação genética se tornou um microrganismo metanogênico que expressa a proteína. Ainda, por exemplo, em algumas modalidades, o microrganismo metanogênico antes da adaptação em cultura ou modificação genética, é um que sobrevive e/ou cresce na presença de uma fonte de carbono particular, fonte de nitrogênio, aminoácido, mineral, sal, vitamina, ou combinação deste, mas através da adaptação em cultura ou modificação genética, se tornou um microrganismo metanogênico que sobrevive e/ou cresce na ausência substancial deste. Alternativa ou adicionalmente, em algumas modalidades, o microrganismo metanogênico antes da adaptação em cultura ou modificação genética, é um que sobrevive e/ou cresce na presença de uma quantidade particular ou concentração de fonte de carbono, fonte de nitrogênio, aminoácido, mineral, sal, vitamina, mas através da adaptação em cultura ou modificação genética, se tornou um microrganismo metanogênico que sobrevive e/ou cresce em uma quantidade ou concentração diferente deste.

[00106] Em algumas modalidades, os microrganismos metanogênicos são adaptados para uma fase de crescimento particular ou reator estado. Além disso, por exemplo, o microrganismo metanogênico em algumas modalidades é um que, antes da adaptação em cultura ou modificação genética, é um que sobrevive e/ou cresce em uma dada faixa de pH, mas através da adaptação em cultura se tornou um microrganismo metanogênico que sobrevive e/ou cresce em diferente faixa de pH. Em algumas modalidades, os microrganismos metanogênicos (por exemplo, archaea) são adaptados em cultura a uma fase de crescimento quase estacionária em um pH range de cerca de 3,5 a cerca de 10 (por exemplo, cerca de 5,0 a cerca de 8,0, cerca de 6,0 a cerca de 7,5). Desta maneira, em alguns aspectos, os microrganismos metanogênicos são adaptados em cultura a uma fase de crescimento quase estacionária em um pH de cerca de 3,5, 3,6, 3,7, 3,8, 3,9, 4,0, 4,1, 4,2, 4,3, 4,4, 4,5, 4,6, 4,7, 4,8, 4,9, 5,0, 5,1, 5,2, 5,3, 5,4, 5,5, 5,6, 5,7, 5,8, 5,9, 6,0, 6,1, 6,2, 6,3, 6,4, 6,5, 6,6, 6,7, 6,8, 6,9, 7,0, 7,1, 7,2, 7,3, 7,4, 7,5, 7,6, 7,7, 7,8, 7,9, 8,0, 8,1, 8,2, 8,3, 8,4, 8,5, 8,6, 8,7, 8,8, 8,9, 9,0, 9,1, 9,2, 9,3, 9,4, 9,5, 9,6, 9,7, 9,8, 9,9, ou 10,0. Em algumas modalidades, os microrganismos metanogênicos (por exemplo, archaea) são adaptados em cultura a uma fase de crescimento ativo em uma faixa de pH de cerca de 6,5 a cerca de 7,5 (por exemplo, cerca de 6,8 a cerca de 7,3). Desta maneira, em alguns aspectos, os microrganismos metanogênicos são adaptados em cultura a uma fase de crescimento quase estacionária em um pH de cerca de 6.5, 6,6, 6,7, 6,8, 6,9, 7,0, 7,1, 7,2, 7,3, 7,4, ou 7,5.

[00107] Da forma aqui usada, o termo “adaptação em cultura” refere-se a um processo em que microrganismos (por exemplo, Archaea que ocorre naturalmente) são cultivados em um conjunto de condições de cultura desejadas (por exemplo, alta salinidade, alta temperatura, ausência substancial de qualquer fonte de carbono, baixo pH, etc.), que difere das condições de cultura anteriores. A cultura nas condições desejadas ocorre por um período de tempo que é suficiente para render microrganismos modificados (progene da linha parental (isto é, os microrganismos não adaptados)) que sobrevivem e/ou crescem (e/ou produzem metano) nas condições desejadas. O período de tempo de adaptação em alguns aspectos é 1 dia, 2 dias, 3 dias, 4 dias, 5 dias, 6 dias, 7 dias, 8 dias, 9 dias, 10 dias, 11 dias, 12 dias, 13 dias, 2 semanas, 3 semanas 4 semanas, 5 semanas, 6 semanas 1 mês, 2 meses, 3 meses, 4 meses, 5 meses 6 meses, 7 meses, 8 meses, 9 meses, 10 meses, 12 meses, 1 ano, 2 anos. O processo de adaptação em cultura seleciona microrganismos e podem sobreviver e/ou crescer e/ou produzir metano nas condições de cultura desejadas; estes microrganismos selecionados permanecem na cultura, enquanto que os outros microrganismos que não podem sobreviver e/ou crescer e/ou produzir metano nas condições de cultura desejadas eventualmente morrem na cultura. Em algumas modalidades, como um resultado da adaptação em cultura, os microrganismos metanogênicos produzem metano em uma maior eficiência, por exemplo, em uma razão do número de dióxido de carbono moléculas convertidas a metano para o número de dióxido de carbono moléculas convertidas a materiais celulares que é maior que N:1, em que N é um número maior que 20, conforme aqui descrito adicionalmente.

[00108] Em algumas modalidades, o processo de adaptação ocorre antes de os microrganismos serem colocados no reator. Em algumas modalidades, o processo de adaptação ocorre depois de os microrganismos serem colocados no reator. Em algumas modalidades, os microrganismos são adaptados para um primeiro conjunto de condições e então colocados no reator e, depois de colocados no reator biológico, os microrganismos são adaptados para um outro conjunto de condições.

[00109] Para os propósitos da presente invenção, em algumas modalidades, a cultura do reator compreende um microrganismo metanogênico (por exemplo, archaea) que foi adaptado em cultura para sobreviver e/ou crescer em um meio de cultura com alto teor de sal e/ou alta condutividade. Por exemplo, a cultura do reator biológico compreende um microrganismo metanogênico (por exemplo, archaea) que foi adaptado em cultura para sobreviver e/ou crescer em um meio de cultura tendo uma condutividade de cerca de 1 a cerca de 25 S/m.

[00110] Em modalidades alternativas ou adicionais, a cultura do reator compreende um microrganismo metanogênico (por exemplo, archaea) que foi adaptado em cultura para sobreviver e/ou crescer em temperatura superior (por exemplo, uma temperatura que é entre cerca de 1 e cerca de 15 graus C maior que a temperatura que os microrganismos sobrevivem e/ou crescem antes da adaptação). Em modalidades exemplares, os microrganismos metanogênicos são adaptados para sobreviver e/ou crescer em uma temperatura que é maior que 50 °C, por exemplo, maior que 55 °C, maior que 60 °C, maior que 65 °C, maior que 70 °C, maior que 75 °C, maior que 80 °C, maior que 85 °C, maior que 90°C, maior que 95 °C, maior que 100 °C, maior que 105 °C, maior que 110 °C, maior que 115 °C, maior que 120 °C.

[00111] Em algumas modalidades, a cultura compreende um microrganismo metanogênico (por exemplo, archaea) que foi adaptado em cultura para sobreviver e/ou crescer em condições que estão baixa ou substancialmente ausentes de quaisquer vitaminas. Em alguns aspectos, a cultura compreende um microrganismo metanogênico (por exemplo, archaea) que foi adaptado em cultura para sobreviver e/ou crescer em condições que têm baixo teor ou são substancialmente ausentes de qualquer fonte de carbono orgânico. Em algumas modalidades, a cultura compreende um microrganismo metanogênico que foi adaptado em cultura para sobreviver e/ou crescer em condições com quantidades substancialmente reduzidas de dióxido de carbono. Nestas modalidades, os microrganismos metanogênicos podem ser adaptados para apresentar uma maior eficiência de metanogênese, produzindo a mesma quantidade de metano (comparado ao microrganismo não adaptado) com uma quantidade reduzida de dióxido de carbono. Em algumas modalidades, a cultura compreende um microrganismo metanogênico que foi adaptado em cultura para sobreviver em condições que substancialmente não têm dióxido de carbono. Nestas modalidades, os microrganismos metanogênicos podem estar em uma fase dormente em que os microrganismos sobrevivem, mas não produzem níveis detectáveis de metano. Em algumas modalidades, os microrganismos metanogênicos foram adaptados para sobreviver e/ou crescer em condições que têm baixo teor ou são substancialmente ausentes de qualquer hidrogênio. Em algumas modalidades, os microrganismos metanogênicos foram adaptados para sobreviver e/ou crescer em condições que têm baixo teor ou são substancialmente ausentes de qualquer fonte de água externa, por exemplo, as condições não compreendem uma etapa de diluição.

[00112] Em modalidades exemplares, os metanógenos são adaptados em cultura a uma fase de crescimento quase estacionária. Tais metanógenos favorecem a produção de metano sobre crescimento celular conforme medido, por exemplo, pela razão do número de moléculas de CO2 convertidas a metano para o número de moléculas de CO2 convertidas a materiais celulares. Esta razão é maior comparada aos metanógenos não adaptados (que podem apresentar, por exemplo, uma razão que varia de cerca de 8:1 a cerca de 20:1). Em algumas modalidades, os metanógenos são adaptados em cultura a uma fase de crescimento quase estacionária sendo provados de um ou mais nutrientes de outra forma requeridos para crescimento ideal por um período prolongado de tempo (por exemplo, 1 semana, 2 semanas, 3 semanas, 1 mês, 2 meses, 3 meses, 4 meses, 5 meses, 6 meses, 7 meses, 8 meses, 9 meses, 10 meses, 11 meses, 1 ano, 2 anos, 3 anos, 4 anos, 5 anos ou mais). Em algumas modalidades, os metanógenos são privados de nutrientes inorgânicos (por exemplo, hidrogênio ou elétrons) necessários para crescimento ideal. Em algumas modalidades, a privação dos metanógenos de hidrogênio ou elétrons é alcançada aspergindo o meio com uma inserção de mistura gasosa, tais como Ar:CO2 em uma vazão de 250 mL/min por várias horas até que nem hidrogênio nem metano apareçam na corrente de gás efluente. Em algumas modalidades, os microrganismos metanogênicos foram adaptados a uma fase de crescimento quase estacionária em condições que têm baixo teor ou são substancialmente ausentes de qualquer fonte de água externa, por exemplo, as condições de adaptação não compreendem uma etapa de diluição.

[00113] Em alguns aspectos, a cultura compreende um microrganismo metanogênico que foi adaptado em cultura para sobreviver e/ou crescer no meio de cultura aqui apresentado como Meio 1 e/ou Meio 2 ou um meio que é substancialmente similar ao Meio 1 ou Meio 2.

Archaea geneticamente modificada

[00114] Em algumas modalidades, a cultura compreende microrganismos metanogênicos que foram proposital ou intencionalmente geneticamente modificados para ficar adequados, por exemplo, mais adequados, para os propósitos da presente invenção. Culturas adequadas também podem ser obtidas por modificação genética de organismos não metanogênicos em que genes essenciais para suportar metanogênese autotrófica são transferidos de um micróbio metanogênico ou de uma combinação de micróbios que podem ou não ser metanogênico por si só. Modificação genética adequada também pode ser obtida por síntese enzimática ou química dos genes necessários.

[00115] Em modalidades exemplares, uma célula hospedeira que não é naturalmente metanogênica é intencionalmente geneticamente modificada para expressar um ou mais genes que são conhecidos como importantes para metanogênese. Por exemplo, a célula hospedeira em alguns aspectos é intencionalmente geneticamente modificada para expressar uma ou mais coenzimas ou cofatores envolvidos na metanogênese. Em alguns aspectos mais específicos, as coenzimas ou cofatores são selecionados do grupo que consiste em F420, coenzima B, coenzima M, metanofurano, e metanopterina, cujas estruturas são conhecidas na tecnologia. Em alguns aspectos os organismos são modificados para expressar as enzimas, bem conhecidos na tecnologia, que empregam estes cofatores na metanogênese.

[00116] Em algumas modalidades, as células hospedeiras que são intencionalmente modificadas são halófilos extremos. Em outras modalidades, as células hospedeiras que são intencionalmente modificadas são termófilos ou hipertermófilos. Em outras modalidades, as células hospedeiras que são intencionalmente modificadas são metanógenos não autotróficos. Em alguns aspectos, as células hospedeiras que são intencionalmente modificadas são metanógenos que não são autotróficos. Em alguns aspectos, as células hospedeiras que são intencionalmente modificadas são células que são tanto metanogênicas quanto autotróficas. Em outras modalidades, as células hospedeiras que são intencionalmente modificadas são células hospedeiras compreendendo genomas sintéticos. Em alguns aspectos, as células hospedeiras que são intencionalmente modificadas são células hospedeiras que compreendem um genoma que não é nativo para a célula hospedeira.

[00117] Em algumas modalidades, a cultura compreende microrganismos que foram proposital ou intencionalmente geneticamente modificados para expressar pili ou pili alterado, por exemplo, pili alterado que promove adesão celular ao cátodo ou outros componentes do reator de metanogênese eletrobiológico ou pili alterado para se tornar eletricamente condutor. Pili são complexos de proteína filamentosa finos que formam filamentos flexíveis que são feitos de proteínas chamadas pilinas. Pili atravessa a membrana externa das células microbianas e pode se estender da superfície celular para anexar a uma variedade de outras superfícies. Formação de pili facilita tais funções disparadas e importantes como adesão de superfície, interações célula-célula que medeiam processos, tais como agregação, conjugação, e motilidade de troca. Recente na análise de silício de mais de vinte genomas de archaeal identificaram um grande número de genes de archaeal que codificam proteínas putativas que lembram pilinas tipo IV (Szabó et al. 2007, que está aqui incorporado pela referência na íntegra). A expressão de várias proteínas tipo pilina de archaeal foi confirmada in vivo (Wang et al. 2008; Zolghadr et al. 2007; Frõls et al. 2007, 2008, que estão aqui incorporados pela referência na íntegra). A divergência de sequência destas proteínas, bem como a expressão diferencial dos óperons que codificam estas proteínas sugere que exerce uma variedade de papéis em processos biológicos distintos.

[00118] Certos microrganismos, tais como espécies Geobacter e Rhodoferax, têm pili altamente condutor que pode funcionar como nanofios biologicamente produzidos conforme descrito em US 20060257985, que está aqui incorporado pela referência na íntegra. Muitos organismos metanogênicos, incluindo a maioria das espécies de Methanocaldococcus e as espécies de Methanotorris, têm pili nativo e em alguns casos estes pili são usados para anexação. Nenhum destes organismos são conhecidos por ter pili nativamente eletricamente condutor.

[00119] Em certas modalidades da presente invenção o pili de um organismo metanogênico e/ou superfícies em contato com pili de um organismo metanogênico ou outros componentes biológicos pode ser alterado de maneira a promover adesão celular ao cátodo ou outros componentes do reator de metanogênese eletrobiológico. Pili de um organismo metanogênico pode ser ainda modificado por engenharia para otimizar sua condutividade elétrica. Proteínas de pilina podem ser modificadas por engenharia para se ligar a vários complexos. Por exemplo, proteínas de pilina podem ser modificadas por engenharia para se ligar a ferro, imitando o pili da espécie de Geobacter ou alternativamente, elas podem ser modificadas por engenharia para se ligar a um agrupamento de ferro-enxofre tipo ferrodoxina de baixo potencial que ocorre naturalmente em muitos metanógenos hipertermofílicos. O complexo desejado para uma aplicação particular será governado pelo potencial de ponto médio da reação redox.

[00120] As células podem ser geneticamente modificadas, por exemplo, usando tecnologia de DNA recombinante. Por exemplo, variantes ou mutantes de célula ou cepa podem ser preparados introduzindo mudanças de nucleotídeo apropriadas no DNA do organismo. As mudanças podem incluir, por exemplo, deleções, inserções, ou substituições, nucleotídeos em uma sequência de ácidos nucleicos de interesse. As mudanças também podem incluir introdução de uma sequência de DNA que não é naturalmente encontrada no tipo de cepa ou célula. Um versado na tecnologia prontamente será capaz de selecionar um método apropriado dependendo do tipo de célula particular sendo modificado. Métodos para introduzir tais mudanças são bem conhecidos na tecnologia e incluem, por exemplo, mutagênese mediada por oligonucleotídeo, mutagênese de transposon, transdução de fago, transformação, mutagênese aleatória (que pode ser induzida por exposição a compostos mutagênicos, radiação, tais como raios-X, luz UV, etc.), mutagênese mediada por PCR, transfecção de DNA, eletroporação, etc.

[00121] A capacidade do pili dos organismos metanogênicos de aderir ao cátodo acoplado com uma maior capacidade de conduzir elétrons possibilitará que os organismos recebam diretamente elétrons que passam através do cátodo do eletrodo negativo da fonte de energia. O uso de organismos metanogênicos com pili geneticamente modificado anexado ao cátodo aumentará muito a eficiência de conversão de energia elétrica ao metano.

Meio de cultura

[00122] A cultura compreendendo os microrganismos metanogênicos, por exemplo, a archaea metanogênica, pode ser mantida em um meio de cultura. Em algumas modalidades, o meio de cultura é uma solução ou suspensão (por exemplo, uma solução aquosa). Em outras modalidades, o meio de cultura é um sólido ou semi-sólido. Ainda em outras modalidades, o meio de cultura compreende ou é um gel, uma gelatina, ou uma pasta.

[00123] Em algumas modalidades, o meio de cultura é um que encoraja a fase de crescimento ativo dos microrganismos metanogênicos. Em aspectos exemplares, o meio de cultura compreende materiais, por exemplo, nutrientes, em quantidades não limitantes que suportam crescimento relativamente rápido dos microrganismos. Os materiais e quantidades de cada material do meio de cultura que suporta que a fase ativa dos microrganismos metanogênicos variará dependendo da espécie ou cepa dos microrganismos da cultura. Entretanto, está na habilidade de um versado na tecnologia determinar os conteúdos do meio de cultura adequado para suportar a fase ativa dos microrganismos da cultura. Em algumas modalidades, o meio de cultura encoraja ou permite uma fase estacionária dos microrganismos metanogênicos. Componentes e concentrações exemplares do meio de cultura são descritos em detalhe adicional a seguir. Usando este guia, variações alternativas podem ser selecionadas para espécies particulares para metanogênese eletrobiológica no estado de operação do reator biológico usando técnicas bem conhecidas no campo.

Materiais inorgânicos: elementos inorgânicos, minerais, e sais

[00124] Em algumas modalidades, o meio para cultivar archaea compreende um ou mais nutrientes que são elementos inorgânicos, ou sais destes. Elementos inorgânicos comuns incluem, mas sem limitações, sódio, potássio, magnésio, cálcio, ferro, cloreto, enxofre fontes, tais como sulfito de hidrogênio ou fontes de fósforo, phosphorus fontes, tais como fontes de fosfato e nitrogênio, tais como amónio, gás nitrogênio ou nitrato. Fontes exemplares incluem NaCI, NaHCCh, KCI, MgCh, MgS04, CaCh, sulfato ferroso, Na2HPO4, NaH2PO4 H2O, H2S, Na2S, NH4OH, N2, e NaNOa. Em algumas modalidades, o meio de cultura ainda compreende um ou mais elementos traço selecionados do grupo que consiste em íons de bário, bromo, boro, cobalto, iodo, manganês, cromo, cobre, níquel, selênio, vanádio, titânio, germânio, molibdênio, silício, ferro, flúor, prata, rubídio, estanho, zircônio, cádmio, zinco, tungsténio e alumínio. Estes íons podem ser fornecidos, por exemplo, em sais de elemento traço, tais como H3BO3, Ba(C2H3θ2)2, KBr, C0CI2-6H20, Kl, MnCl2-2H2O, Cr(SO4)3-15H2O, CuS04-5H20, NÍSO4-6H2O, H2Seθ3, NaVO3, TiCk, Geθ2, (NH4)6Mθ7θ24-4H2O, Na2SiO3-9H2θ, FeSO4-7H2O, NaF, AgNO3, RbCI, SnCl2,ZrOCl2-8H2θ, CdSO4-8H2O, ZnSO4-7H2O, Fe(N03)3-9H20Na2W04, AICI3- 6H2O.

[00125] Em algumas modalidades, o meio compreende um ou mais minerais selecionados do grupo que consiste em níquel, cobalto, sódio, magnésio, ferro, cobre, manganês, zinco, boro, fósforo, enxofre, nitrogênio, selênio, tungsténio, alumínio e potássio incluindo quaisquer sais não tóxicos adequados destes. Assim, em algumas modalidades, os minerais no meio são fornecidos como sais minerais. Quaisquer sais ou hidratos adequados podem ser usados para preparar o meio. Por exemplo, e em algumas modalidades, o meio compreende um ou mais dos seguintes sais minerais: Nasnitrilotriacetato, ácido nitrilotriacético, NÍCI2-6H2O, C0CI2- 6H2O, Na2Moθ4-H2θ, MgCl2-6H2O, FeSO4-H2O, Na2SeO3, Na2WO4, KH2PO4, e NaCI. Em algumas modalidades, L-cisteína pode ser adicionada como um tampão redox para suportar fases do crescimento precoces de uma cultura de baixa densidade. Em algumas modalidades, o meio compreende níquel, opcionalmente NÍCI2-6H2O em uma quantidade de cerca de 0,001 mM a cerca de 0,01 mM, por exemplo, 0,002 mM, 0,003 mM, 0,004 mM, 0,005 mM, 0,006 mM, 0,007 mM, 0,008 mM, 0,009 mM, ou qualquer combinação dos pontos finais da faixa anterior. Em algumas modalidades, o meio compreende uma fonte de nitrogênio, por exemplo, hidróxido de amónio ou amónio cloreto em uma quantidade de cerca de 1 mM a cerca de 10 mM, por exemplo, 2 mM, 3 mM, 4 mM, 5 mM, 6 mM, 7 mM, 8 mM, 9 mM, ou qualquer combinação dos pontos finais da faixa anterior. Em algumas modalidades, o meio compreende cobalto, por exemplo, C0CI2-6H20, em uma quantidade de cerca de 0,001 mM a cerca de 0,01 mM, por exemplo, 0,002 mM, 0,003 mM, 0,004 mM, 0,005 mM, 0,006 mM, 0,007 mM, 0,008 mM, 0,009 mM, ou qualquer combinação dos pontos finais da faixa anterior. Em algumas modalidades, o meio compreende molibdênio, uma fonte de molibdênio ou molibdato, por exemplo, Na2MoO4-H2O, em uma quantidade de cerca de 0,005 mM a cerca de 0,05 mM, por exemplo, 0,006 mM, 0,007 mM, 0,008 mM, 0,009 mM, 0,01 mM, 0,02 mM, 0,03 mM, 0,04 mM, ou qualquer combinação dos pontos finais da faixa anterior. Em algumas modalidades, o meio compreende magnésio, por exemplo, MgCl2-6H2O, em uma quantidade de cerca de 0,5 mM a cerca de 1,5 mM, por exemplo, 0,6 mM, 0,7 mM, 0,8 mM, 0,9 mM, 1,0 mM, 1,1 mM, 1,2 mM, 1,3 mM, 1,4 mM, ou qualquer combinação dos pontos finais da faixa anterior. Em algumas modalidades, o meio compreende ferro, por exemplo, FeSO4-H2O, em uma quantidade de cerca de 0,05 mM a cerca de 0,5 mM, por exemplo, 0,06 mM, 0,07 mM, 0,08 mM, 0,09 mM, 0,1 mM, 0,2 mM, 0,3 mM, 0,4 mM, ou qualquer combinação dos pontos finais da faixa anterior. Em algumas modalidades, o meio compreende uma fonte de enxofre ou sulfato em uma quantidade de cerca de 0,05 mM a cerca de 0,5 mM, por exemplo, 0,06 mM, 0,07 mM, 0,08 mM, 0,09 mM, 0,1 mM, 0,2 mM, 0,3 mM, 0,4 mM, ou qualquer combinação dos pontos finais da faixa anterior. Em algumas modalidades, o meio compreende selênio, uma fonte de selênio ou selenato, por exemplo, Na2SeO3, em uma quantidade de cerca de 0,005 mM a cerca de 0,05 mM, por exemplo, 0,006 mM, 0,007 mM, 0,008 mM, 0,009 mM, 0,01 mM, 0,02 mM, 0,03 mM, 0,04 mM, ou qualquer combinação dos pontos finais da faixa anterior. Em algumas modalidades, o meio compreende tungsténio, uma fonte de tungsténio ou tungstato, por exemplo, Na2WO4, em uma quantidade de cerca de 0,005 mM a cerca de 0,05 mM, por exemplo, 0,006 mM, 0,007 mM, 0,008 mM, 0,009 mM, 0,01 mM, 0,02 mM, 0,03 mM, 0,04 mM, ou qualquer combinação dos pontos finais da faixa anterior. Em algumas modalidades, o meio compreende potássio, por exemplo, KH2PO4, em uma quantidade de cerca de 5 mM a cerca de 15 mM, por exemplo, 6 mM, 7 mM, 8 mM, 9 mM, 10 mM, 11 mM, 12 mM, 13 mM, 14 mM, ou qualquer combinação dos pontos finais da faixa anterior. Em algumas modalidades, o meio compreende fósforo, uma fonte de fósforo, ou fosfato, por exemplo, KH2PO4, em uma quantidade de cerca de 5 mM a cerca de 15 mM, por exemplo, 6 mM, 7 mM, 8 mM, 9 mM, 10 mM, 11 mM, 12 mM, 13 mM, 14 mM, ou qualquer combinação dos pontos finais da faixa anterior. Em algumas modalidades, o meio compreende NaCI em uma quantidade de cerca de 5 mM a cerca de 15 mM, por exemplo, 6 mM, 7 mM, 8 mM, 9 mM, 10 mM, 11 mM, 12 mM, 13 mM, 14 mM, ou qualquer combinação dos pontos finais da faixa anterior.

[00126] Algumas archaea são halófilos extremos e preferem condições de alta salinidade, por exemplo, cerca de 1,5M a cerca de 5,5 M NaCI, ou cerca de 3 M a cerca de 4 M NaCI. Outras archaea podem ser adaptadas para crescer em condições de sal superiores ao seu ambiente normal.

[00127] Em algumas modalidades, 0 meio de cultura serve para mais que um propósito. Desta maneira, em alguns aspectos, o meio de cultura suporta o crescimento e/ou sobrevivência dos microrganismos da cultura e serve como o meio eletrolítico do cátodo no reator. Um eletrólito é uma substância que, quando dissolvida em água, permite que a corrente flua através da solução. A condutividade (ou condutância específica) de um meio eletrolítico é uma medida da sua capacidade de conduzir eletricidade. A unidade SI de condutividade é siemens por metro (S/m), e a menos que de outra forma qualificado, é medida em uma temperatura padrão de 25 °C. Água deionizada pode ter uma condutividade de cerca de 5,5 pS/m, enquanto que água do mar tem uma condutividade de cerca de 5 S/m (isto é, condutividade da água do mar é um milhão de vezes maior que a da água deionizada).

[00128] Condutividade é tradicionalmente determinada medindo a resistência AC da solução entre dois eletrodos ou por medidas de indutância torroidal.

[00129] Condutividade iônica limite em água a 298 K para íons exemplares:

[00130] Em algumas modalidades, o meio de cultura compreende uma alta concentração de sal com os propósitos de aumentar a condutividade do meio de cultura/reator eletrólito do cátodo. Condutividade é prontamente ajustada, por exemplo, adicionando NaCI áté que a condutividade desejada seja alcançada. Em algumas modalidades, a condutividade do meio/eletrólito é na faixa de 1 a 25 S/m (0,01 a 0,25 S/cm). Esta condutividade é prontamente alcançada na faixa de concentrações de sal que são compatíveis com archaea metanogênica viva.

Vitaminas

[00131] Em algumas modalidades vitaminas substancialmente estão ausentes do meio de cultura para reduzir a contaminação por não metanógenos e/ou diminuir o custo do meio de cultura e, assim, o custo geral do reator biológico. Entretanto, é possível operar o reator biológico usando meio suplementado com uma ou mais vitaminas selecionadas do grupo que consiste em ácido ascórbico, biotina, cloreto de colina; D-Ca++pantotenato, ácido fólico, i-inositol, menadiona, niacinamida, ácido nicotínico, ácido paraminobenzóico (PABA), piridoxal, piridoxina, riboflavina, tiamina- HCI, acetato de vitamina A, vitamina B12 e vitamina D2. Em algumas modalidades, o meio é suplementado com uma vitamina que é essencial para a sobrevivência do microrganismo metanogênico, mas outras vitaminas estão substancialmente ausentes.

Outros materiais

[00132] O meio de cultura em algumas modalidades compreende materiais a não ser compostos inorgânicos e sais. Por exemplo, o meio de cultura em algumas modalidades, compreende um agente quelante. Agentes quelantes adequados são conhecidos na tecnologia e incluem, mas sem limitações, ácido nitrilotriacético e/ou sais destes. Também, em alguns aspectos, o meio de cultura compreende um tampão redox, por exemplo, Cys, para suportar uma fase de crescimento ativo precoce em uma cultura de baixa densidade.

Fontes de carbono

[00133] Em alguns aspectos, o meio de cultura compreende uma fonte de carbono, por exemplo, dióxido de carbono, formato, ou monóxido de carbono. Em algumas modalidades, o meio de cultura compreende uma pluralidade destas fontes de carbonos em combinação. Preferivelmente, fontes de carbono orgânico são substancialmente ausentes para reduzir contaminação por não metanógenos.

Fontes de nitrogênio

[00134] Em algumas modalidades, o meio de cultura compreende uma fonte de nitrogênio, por exemplo, amónio, amónia anidra, sais de amónio e similares. Em algumas modalidades, o meio de cultura pode compreender sais de nitrato ou nitrito como uma fonte de nitrogênio, embora compostos de nitrogênio quimicamente reduzidos sejam preferíveis. Em alguns aspectos, o meio de cultura substancialmente não tem uma fonte de nitrogênio orgânico, por exemplo, uréia, licor exorbitante de milho, caseína, extrato de levedura de peptona e extrato de carne. Em algumas modalidades nitrogênio diatômico (N2) pode servir como uma fonte de nitrogênio, tanto sozinho quanto em combinação com outras fontes de nitrogênio.

Oxigênio

[00135] Metanógenos que são principalmente anaeróbicos ainda podem ser capazes de sobreviver por períodos prolongados de estresse de oxigênio, por exemplo, exposição ao ar ambiente por pelo menos 6, 12, 18, ou 24 horas, ou 2 dias, 3 dias, 4 dias, 5 dias, 6 dias, 1 semana ou mais. Idealmente, exposição ao ar é por 4 dias ou menos, ou 3 dias ou menos, ou 2 dias ou menos, ou 24 horas ou menos. Produção de metano pode continuar na presença de concentrações de oxigênio de até 2-3 % da fase gasosa por períodos prolongados (pelo menos dias). Entretanto, organismos anaeróbicos crescerão idealmente em condições de baixo teor de oxigênio. Em algumas modalidades, o reator biológico substancialmente exclui oxigênio para promover altos níveis de produção de metano.

[00136] Em algumas modalidades, 0 sistema compreende vários métodos e/ou características que reduzem a presença de oxigênio na corrente de CO2 que é alimentada no reator biológico. Quando microrganismos metanogênicos anaeróbios obrigatórios são usados para catalisar a formação de metano, a presença de oxigênio pode ser prejudicial ao desempenho do processo e contamina o gás do produto. Desta forma, redução da presença de oxigênio na corrente de CO2 é útil para melhorar o processo. Em uma modalidade, o oxigênio é removido por pré- tratamento da corrente de gás em um reator biológico. Em esta modalidade, o redutor pode ser fornecido tanto pelo fornecimento de uma fonte de material orgânico (por exemplo, glicose, amido, celulose, resíduo de fermentação de uma instalação de etanol, resíduo de trigo, etc.) que pode servir como substrato para uma fermentação oxidativa. O catalisador biológico microbiano é escolhido para oxidativamente fermentar a fonte orgânica escolhida, rendendo CO2 do contaminante oxigênio. Em uma outra modalidade, a remoção de oxigênio é realizada no fase de fermentação principal por meio de uma cultura mista de micróbios que inclui um capaz de fermentação oxidativa de uma fonte orgânica adicionada além do autotrófico metanógeno necessário para a produção de metano. Um exemplo de uma cultura mista adequada foi originalmente isolado como “Methanobacillus omelianskii” e é prontamente obtido de fontes ambientais (Bryant et al. Archiv Microbiol 59:20-31 (1967) ‘‘Methanobacillus omelianskii, a symbiotic association of two species of bacteria”, que está aqui incorporado pela referência na íntegra). Em uma outra modalidade, dióxido de carbono na corrente de gás de entrada é purificado fora dos gases contaminantes, incluindo oxigênio, por absorção seletiva ou por separação por membrana. Métodos para preparar dióxido de carbono suficientemente sem oxigênio são bem conhecidos na tecnologia.

Meio exemplar

[00137] Em algumas modalidades, o meio de cultura compreende os seguintes componentes: Naanitrilotriacetato, ácido nitrilotriacético, NÍCI2-6H2O, C0CI2-6H20, Na2Moθ4-H2θ, MgCl2-6H2O, FeSO4-H2O, Na2SeO3, Na2WO4, KH2PO4, e NaCI. Em algumas modalidades, L-cisteína pode ser adicionada como um tampão redox para suportar fases do crescimento precoces de uma cultura de baixa densidade. Em algumas modalidades, o meio compreende Nasnitrilotriacetato (0,81 mM), ácido nitrilotriacético (0,4 mM), NÍCI2-6H2O (0,005 mM), COCI2-6H2O (0,0025 mM), Na2MoO4-H2O (0,0025 mM), MgCI2-6H2O (1,0 mM), FeSO4-H2O (0,2 mM), Na2SeO3 (0,001 mM), Na2WO4 (0,01 mM), KH2PCU (10 mM), e NaCI (10 mM). L-cisteína (0,2 mM) pode ser incluído.

[00138] Em algumas modalidades, o meio de cultura compreende os seguintes componentes: KH2PCU, NH4CI, NaCI, Naanitrilotriacetato, NÍCI2-6H2O, COCI2-H2O, Na2MoO4-2H2O, FeSO4-7H2O, MgCl2-6H2O, Na2SeO3, Na2WO4, Na2S-9H2O. Um meio de cultura compreendendo estes componentes pode ser referido aqui como Meio 1, que é capaz de suportar sobrevivência e/ou crescimento dos microrganismos metanogênicos originalmente derivados de um ambiente terrestre, por exemplo, uma espécie de Methanothermobacter. Assim, em algumas modalidades, o reator biológico compreende uma cultura de Methanothermobacter e uma meio de cultura do Meio 1. Em alguns aspectos, o meio de cultura é ajustado com NH4OH a um pH entre cerca de 6,8 e cerca de 7,3. Em algumas modalidades, o meio de cultura não somente suporta sobrevivência e/ou crescimento e/ou produção de metano pelos microrganismos metanogênicos, mas também serve como 0 meio eletrolítico do cátodo adequado para conduzir eletricidade no reator. Desta maneira, em alguns aspectos, a condutividade do meio de cultura é na faixa de cerca de 1 a cerca de 25 S/m (cerca de 0,01 a cerca de 0,25 S/cm).

[00139] Em algumas modalidades, o KH2PO4 está presente no meio em uma concentração na faixa de cerca de 1 mM a cerca de 100 mM, por exemplo, cerca de 2 mM, cerca de 50 mM, cerca de 5 mM a cerca de 20 mM.

[00140] Em algumas modalidades, o NH4CI está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 10 mM a cerca de 1500 mM, por exemplo, cerca de 20 mM a cerca de 600 mM, cerca de 60 mM a cerca de 250 mM.

[00141] Em algumas modalidades, o NaCI está presente no meio de cultura na faixa de cerca de 1 mM a cerca de 100 mM, por exemplo, cerca de 2 mM, cerca de 50 mM, cerca de 5 mM a cerca de 20 mM.

[00142] Em algumas modalidades, o Nasnitrilotriacetato está presente no meio de cultura na faixa de cerca de 0,1 mM a cerca de 10 mM, por exemplo, 0,20 mM a cerca de 6 mM, cerca de 0,5 a cerca de 2.5 mM.

[00143] Em algumas modalidades, o NÍCI2-6H2O está presente no meio de cultura na faixa de cerca de 0,00025 a cerca de 0,025 mM, por exemplo, cerca de 0,005 mM a cerca de 0,0125 mM, cerca de 0,0005 mM a cerca de 0,005 mM.

[00144] Em algumas modalidades, o COCI2-H2O está presente no meio de cultura na faixa de cerca de 0,0005 mM a cerca de 0,05 mM, por exemplo, cerca de 0,001 mM a cerca de 0,025 mM, cerca de 0,0025 mM a cerca de 0,01 mM.

[00145] Em algumas modalidades, o Na2MoO4-2H2O está presente no meio de cultura na faixa de cerca de 0,00025 mM a cerca de 0,025 mM, por exemplo, cerca de 0,0005 mM a cerca de 0,0125 mM, cerca de 0,00125 mM a cerca de 0,005 mM.

[00146] Em algumas modalidades, o FeSO4-7H2O está presente no meio de cultura na faixa de cerca de 0,02 mM a cerca de 2 mM, por exemplo, cerca de 0,04 mM a cerca de 1 mM, cerca de 0,1 mM a cerca de 0,4 mM.

[00147] Em algumas modalidades, o MgCl2-6H2O está presente no meio de cultura na faixa de cerca de 0,1 mM a cerca de 10 mM, por exemplo, cerca de 0,2 mM a cerca de 5 mM, cerca de 0,5 mM a cerca de 2 mM.

[00148] Em algumas modalidades, o Na2SeO3 está presente no meio de cultura na faixa de cerca de 0,0001 mM a cerca de 0,01 mM, por exemplo, cerca de 0,0002 mM a cerca de 0,005 mM, cerca de 0,0005 mM a cerca de 0,002 mM.

[00149] Em algumas modalidades, o Na2WO4 está presente no meio de cultura na faixa de cerca de 0,001 mM a cerca de 0,1 mM, por exemplo, cerca de 0,05 mM a cerca de 0,05 mM, cerca de 0,005 mM a cerca de 0,02 mM.

[00150] Em algumas modalidades, Meio 1 é suplementado com componentes, tais como sulfito, que suportam a fase de crescimento ativo ou multiplicação relativamente rápida do microrganismo. Desta maneira, em alguns aspectos, o meio de cultura compreende uma maior concentração de sulfito, por exemplo, 0,1 mM a cerca de 10 mM (por exemplo, cerca de 0,2 mM a cerca de 5 mM, cerca de 0,5 mM a cerca de 2 mM), cerca de 0,5 a 5 mM, ou cerca de 1 mM Na2S-9H2O, e preferivelmente mais que 0,01 mM Na2S-9H2O, opcionalmente com um pH entre cerca de 6,8 e cerca de 7,0. Em outras modalidades, Meio 1 suporta a fase de crescimento inativa ou ativa ou quase estacionária do microrganismo e o meio compreende uma menos concentração de sulfito. Desta maneira, em alguns aspectos, a cultura compreende cerca de 0,01 mM ou menos Na2S-9H2O, e não 1 mM Na2S-9H2O. opcionalmente com um pH entre cerca de 7,2 e cerca de 7,4.

[00151] Em algumas modalidades, o meio de cultura compreende os seguintes componentes: KH2PO4, NaCI, NH4CI, NasCOa, CaCh x 2H2O, MgCh x 6H2O, FeCh x 4H2O, NÍCI2 x 6H2O, Na2SeO3 x 5 H2O, Na2WCU x H2O, MnCh x 4H2O, ZnCh, H3BO3, C0CI2 x 6H2O, CuCh x 2H2O, Na2Moθ4 x 2H2O, Ácido nitrilotriacético, Naaácido nitrilotriacético, KAI(SO4)2 x 12 H2O, Na2S x 9H2O. Um meio de cultura compreendendo estes componentes pode ser referido aqui como Meio 2, que é capaz de suportar sobrevivência e/ou crescimento dos microrganismos metanogênicos originalmente derivados de um ambiente marinho, por exemplo, uma espécie de Methanocaldooccus, espécie de Methanotorris, espécie de Methanopirus, ou espécie de Methanothermococcus. Em alguns aspectos, 0 meio de cultura é ajustado com NH4OH a um pH entre cerca de 6,3 e cerca de 6,8 (por exemplo, cerca de 6,4 a cerca de 6,6). Em algumas modalidades, o meio de cultura não somente suporta sobrevivência e/ou crescimento e/ou produção de metano pelos microrganismos metanogênicos, mas também serve como o meio eletrolítico do cátodo adequado para conduzir eletricidade no reator. Desta maneira, em alguns aspectos, a condutividade do meio de cultura é na faixa de cerca de 1 a cerca de 25 S/m (cerca de 0,01 a cerca de 0,25 S/cm).

[00152] Em algumas modalidades, o KH2PO4 está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 0,35 mM a cerca de 37 mM, por exemplo, cerca de 0,7 mM a cerca de 0,75 mM, cerca de 1,75 mM a cerca de 7.5 mM.

[00153] Em algumas modalidades, 0 NaCI está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 17 mM a cerca de 1750 mM, por exemplo, cerca de 30 mM a cerca de 860 mM, cerca de 80 mM a cerca de 350 mM.

[00154] Em algumas modalidades, o NH4CI está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 0,7 mM a cerca de 750 mM, por exemplo, cerca de 1,5 mM a cerca de 40 mM, cerca de 3.75 mM a cerca de 15 mM.

[00155] Em algumas modalidades, o Na2C0a está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 5 mM a cerca de 600 mM, por exemplo, 10 mM a cerca de 300 mM, cerca de 30 mM a cerca de 150 mM.

[00156] Em algumas modalidades, o CaCh x 2H2O está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 0,05 a cerca de 50 mM, por exemplo, 0,2 mM a cerca de 5 mM, cerca de 0,5 mM a cerca de 2 mM.

[00157] Em algumas modalidades, o MgCh x 6H2O está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 3 mM a cerca de 350 mM, por exemplo, cerca de 6,5 mM a cerca de 175 mM, cerca de 15 mM a cerca de 70 mM.

[00158] Em algumas modalidades, o FeCh x 4H2O está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 0,003 mM a cerca de 0,3 mM, por exemplo, cerca de 0,006 mM a cerca de 0,15 mM, cerca de 0,015 mM a cerca de 0,06 mM.

[00159] Em algumas modalidades, o NiCh x 6H2O está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 0,0005 mM a cerca de 0,007 mM, por exemplo, 0,0012 mM a cerca de 0,03 mM, cerca de 0,003 mM a cerca de 0,012 mM.

[00160] Em algumas modalidades, o Na2SeO3 x 5 H2O está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 0,0001 mM a cerca de 0,01 mM, por exemplo, cerca de 0,00025 mM a cerca de 0,01 mM, cerca de 0,001 mM a cerca de 0,005 mM.

[00161] Em algumas modalidades, o Na2WO4 x H2O está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 0,0005 mM a cerca de 0,007 mM, por exemplo, 0,0012 mM a cerca de 0,03 mM, cerca de 0,003 mM a cerca de 0,012 mM.

[00162] Em algumas modalidades, 0 MnCh x 4H2O está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 0,003 mM a cerca de 0,4 mM, por exemplo, cerca de 0,08 mM a cerca de 2 mM, cerca de 0,02 mM a cerca de 0,08 mM.

[00163] Em algumas modalidades, o ZnCh está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 0,0005 mM a cerca de 0,007 mM, por exemplo, 0,0012 mM a cerca de 0,03 mM, cerca de 0,003 mM a cerca de 0,012 mM.

[00164] Em algumas modalidades, o H3BO3 está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 0,0001 mM a cerca de 0,01 mM, por exemplo, cerca de 0,00025 mM a cerca de 0,01 mM, cerca de 0,001 mM a cerca de 0,005 mM.

[00165] Em algumas modalidades, o C0C12 x 6H2O está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 0,0005 mM a cerca de 0,007 mM, por exemplo, 0,0012 mM a cerca de 0,03 mM, cerca de 0,003 mM a cerca de 0,012 mM.

[00166] Em algumas modalidades, o CuCh x 2H2O está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 0,00004 mM a cerca de 0,004 mM, por exemplo, 0,00008 mM a cerca de 0,002 mM, cerca de 0,0002 mM a cerca de 0,0008 mM.

[00167] Em algumas modalidades, o Na2Moθ4 x 2H2O está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 0,00004 mM a cerca de 0,004 mM, por exemplo, 0,00008 mM a cerca de 0,002 mM, cerca de 0,0002 mM a cerca de 0,0008 mM.

[00168] Em algumas modalidades, o ácido nitrilotriacético está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 0,003 mM a cerca de 0,7 mM, por exemplo, cerca de 0,12 mM a cerca de 0,3 mM, cerca de 0,03 mM a cerca de 0,12 mM.

[00169] Em algumas modalidades, o Nasácido nitrilotriacético está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 0,002 mM a cerca de 0,2 mM, por exemplo, cerca de 0,004 mM a cerca de 0,1 mM, cerca de 0,01 mM a cerca de 0,04 mM.

[00170] Em algumas modalidades, o KAI(SO4)2 x 12 H2O está presente no meio de cultura em uma concentração na faixa de cerca de 0,00004 mM a cerca de 0,004 mM, por exemplo, 0,00008 mM a cerca de 0,002 mM, cerca de 0,0002 mM a cerca de 0,0008 mM.

[00171] Em algumas modalidades, a concentração do sal em Meio 2 é ajustado acima da faixa de 400 to 800 mM para a formulação do eletrólito no reator. Adicionalmente, a concentração de sulfito de culturas relativamente estacionárias é ajustada abaixo da faixa de <0,01 mM (<1 ppm sulfito na corrente de gás de saída).

[00172] Em alguns exemplos, o meio é aspergido com uma mistura gasosa H2:CO2 em uma razão de 4:1. A mistura gasosa pode, em algumas modalidades, ser gerada com controladores da massa de fluxo em um fluxo total de 250 mL/minuto. Em algumas modalidades, o meio pode ser reenchido em uma taxa adequada para manter uma concentração útil de minerais essenciais e para eliminar quaisquer produtos metabólicos que podem inibir a metanogênese. Taxas de diluição abaixo de 0,1 volume de cultura por hora são adequadas, uma vez que elas rendem concentrações volumétricas altas da capacidade de geração de metano ativo.

Condições da cultura Temperatura

[00173] Em algumas modalidades, a temperatura da cultura é mantida próximo da temperatura ideal para crescimento do organismo usado na cultura (por exemplo, cerca de 35 °C a cerca de 37 °C para organismos mesofílicos, tais como Methanosarcinia barkeri e Methanococcus maripaludis ou cerca de 60 °C a cerca de 65 °C para termófilos, tais como Methanothermobacter thermoautotrophycous, e cerca de 85 °C a cerca de 90 °C para organismos, tais como Methanocaldococcus jannaschii, Methanocaldococcus fervens, Methanocaldococcus indicus, Methanocaldococcus infernus, e Methanocaldococcus vulcanius). Entretanto, visualiza-se que temperaturas acima ou abaixo das temperaturas para crescimento ideal podem ser usadas. De fato, maiores taxas de conversão de metano podem ser obtidas em temperaturas acima da temperatura da taxa de crescimento ideal. Temperaturas de cerca de 50 °C ou superior são contempladas, por exemplo, cerca de 51 °C ou superior, cerca de 52 °C ou superior, cerca de 53 °C ou superior, cerca de 54 °C ou superior, cerca de 55 °C ou superior, cerca de 56 °C ou superior, cerca de 57 °C ou superior, cerca de 58 °C ou superior, cerca de 59 °C ou superior, cerca de 60 °C a cerca de 150 °C, cerca de 60 °C a cerca de 120 °C, cerca de 60 °C a cerca de 100 °C, cerca de 60 °C a cerca de 80 °C. Temperaturas de cerca de 40 °C ou superior, ou cerca de 50 °C ou superior são ∞ntempladas, por exemplo, cerca de 40 °C a cerca de 150 °C, cerca de 50 °C a cerca de 150 °C, cerca de 40 °C a cerca de 120 °C, cerca de 50 °C a cerca de 120 °C, cerca de 40 °C a cerca de 100 °C, ou cerca de 50 °C a cerca de 100 °C.

[00174] Em vista do exposto anteriormente, a temperatura na qual a cultura é mantida pode ser considerada como uma descrição dos microrganismos metanogênicos contemplados nela. Por exemplo, quando a temperatura da cultura é mantida a uma temperatura entre 55 °C e 120 °C, o microrganismo metanogênico é considerado como um que pode ser cultivado nesta temperatura. Desta maneira, o microrganismo metanogênico em algumas modalidades é um termófilo ou um hipertermófilo. Em alguns aspectos, a cultura do reator biológico compreende um microrganismo metanogênico termofílico autotrófico ou um microrganismo metanogênico hipertermofílico autotrófico. Em alguns aspectos, a cultura do reator biológico compreende um microrganismo metanogênico termofílico autotrófico ou um microrganismo metanogênico hipertermofílico autotrófico, ambos os quais é tolerante ao meio de cultura de alta condutividade (por exemplo, cerca de 1 a cerca de 25 S/m), da forma aqui descrita, por exemplo, um halófilo.

[00175] Archaea pode ser capaz de sobreviver períodos longos em temperaturas subideais. Em algumas modalidades, uma cultura de archaea pode naturalmente sobreviver ou são adaptados para sobreviver a temperatura ambiente (por exemplo, 22-28 °C) por um período de pelo menos 3 semanas a 1,2, 3, 4, 5 ou 6 meses.

[00176] Em algumas modalidades, os organismos na cultura não são mesofílicos. Em algumas modalidades, a cultura não é mantida a uma temperatura abaixo ou cerca de 37 °C. Com relação aos organismos termofílicos (incluindo, mas sem limitações, Methanothermobacter thermoautotrophycous, Methanocaldococcus jannaschii, Methanocaldococcus fervens, Methanocaldococcus indicus, Methanocaldococcus infernus, e Methanocaldococcus vulcanius), em algumas modalidades, a temperatura da cultura é por exemplo, cerca de 60 °C a cerca de 150 °C, cerca de 60 °C a cerca de 120 °C, cerca de 60 °C a cerca de 100 °C, ou cerca de 60 °C a cerca de 80 °C.

[00177] Archaea também pode sobreviver em uma ampla faixa de condições de pH. Em algumas modalidades, o pH da cultura compreendendo os microrganismos metanogênicos é entre cerca de 3.5 e cerca de 10,0, embora para condições de crescimento, o pH pode ser entre cerca de 6,5 e cerca de 7,5. Por exemplo, o pH da cultura pode ser cerca de 3,5, cerca de 3,6, cerca de 3,7, cerca de 3,8, cerca de 3,9, cerca de 4,0, cerca de 4,5, cerca de 5,0, cerca de 5,5, cerca de 6,0, cerca de 6,5, cerca de 7,0, cerca de 7,5, cerca de 8,0, cerca de 8,5, cerca de 9,0, cerca de 9,5, cerca de 10,0. Em algumas modalidades, o pH do meio é ácido, por exemplo, cerca de 0,1 a cerca de 5.5, cerca de 0,1 a cerca de 4, cerca de 0,1 a cerca de 3, cerca de 1 a cerca de 3, ou cerca de 2 a cerca de 3. Em algumas modalidades, o pH do meio é próximo ao neutro, por exemplo, cerca de 6 a cerca de 8. Em algumas modalidades, o pH do meio é alcalino, por exemplo, cerca de 8.5 a cerca de 11, ou cerca de 8 a cerca de 10. O pH do meio pode ser alterado por meios conhecidos na tecnologia. Por exemplo, o pH pode ser controlado aspergindo CO2 e/ou adicionando ácido (por exemplo, HCI) ou base (por exemplo, NaOH ou NH4OH) conforme necessário.

Pressão

[00178] Em algumas modalidades, pressões adequadas no reator biológico variam de cerca de 0,5 atmosferas a cerca de 500 atmosferas. O reator biológico também pode conter uma fonte de agitação intermitente da cultura. Também, em uma modalidade, o gás metano removido do reator biológico adequadamente compreende menos que cerca de 450 ppm de sulfito de hidrogênio, ou alternativamente menos que cerca de 400 ppm, 300 ppm, 200 ppm, 150 ppm, 100 ppm, 50 ppm ou 20 ppm de sulfito de hidrogênio. Taxas de distribuição de gás totais (CO2) na faixa de 0,2 a 4 volume de gás (STP) por volume de cultura por minuto são adequadas, uma vez que eles tanto mantêm quanto exploram concentrações volumétricas altas de capacidade de geração de metano ativo. Em uma modalidade, o potencial redox é mantido abaixo de -100 mV ou menor durante metanogênese. O método da presente invenção engloba condições em que o potencial redox é transientemente maior acima de -100 MV, como por exemplo, quando ar é adicionado ao sistema.

Recipientes de cultura

[00179] Um reator biológico, também conhecido como um vaso fermentador, biorreator, ou simplesmente reator, conforme apresentado aqui pode ser qualquer vaso adequado em que metanogênese pode acontecer. Reatores biológicos adequados para ser usados na presente invenção devem ser classificados para o volume da fonte de CO2. Correntes típicas de 2.200.000 lb CCte/dia de uma instalação de etanol de 100.000.000 gal/yr pode requerer uma recuperação de CO2 /produção de fermentador de metano de cerca de capacidade total de gás de 750.000. Vasos fermentadores similar às unidades do fermentador individual de 750.000 instalados em uma instalação de etanol como esta podem ser adequados.

Volume e densidade da cultura

[00180] A concentração de células vivas no meio de cultura (densidade da cultura) é em algumas modalidades mantida acima de 1 g de peso seco/L. Em certas modalidades, a densidade pode ser 30 g de peso seco/L ou superior. O volume da cultura é baseado no volume do poro na estrutura do cátodo poroso no reator, mais qualquer volume necessário para preencher quaisquer componentes auxiliares do reator sistema, tais como bombas e separadores líquido/gás.

Meio de cultura para reduzir a contaminação por não metanógenos

[00181] O termo “não metanógeno” da forma aqui usada refere-se a qualquer microrganismo que não é um metanógeno ou não é uma célula hospedeira que expressa genes que permitem metanogênese. Por exemplo, em algumas modalidades, o archaea são cultivados em condições em que a temperatura, pH, salinidade, concentração de sulfito, fonte de carbono, concentração de hidrogênio ou fonte elétrica é alterada de maneira tal que crescimento de não metanógenos é significativamente retardado em tais condições. Por exemplo, em algumas modalidades, os metanógenos são cultivados a uma temperatura que é maior que 37 °C. Em alguns aspectos, os microrganismos metanogênicos são cultivados a uma temperatura de pelo menos 50 °C ou superior, conforme discutido aqui, por exemplo, 100 °C ou mais, para evitar contaminação por não metanógenos mesofílicos. Em outras modalidades, os metanógenos são cultivados em condições de alta salinidade (por exemplo, >75 %) para evitar contaminação por não metanógenos que não são capazes de crescer em condições de alta salinidade. Ainda em outras modalidades, os metanógenos são cultivados em condições em que o pH do meio de cultura é alterado para ser mais ácido ou mais básico de maneira a reduzir ou eliminar a contaminação por não metanógenos que não são capazes de crescer em tais condições.

[00182] Contaminação por não metanógenos também pode ser realizada minimizando quantidades de nutrientes de carbono orgânico (por exemplo, açúcares, ácidos graxos, óleos, etc.) no meio. Por exemplo, em algumas modalidades, nutrientes orgânicos são substancialmente ausentes do meio.

[00183] Em algumas modalidades, componentes necessários para o crescimento de organismos não metanogênicos são substancialmente ausentes do meio. Tais componentes incluem, mas sem limitações, uma ou mais fontes de carbono orgânico, e/ou uma ou mais fontes de nitrogênio orgânico, e/ou uma ou mais vitaminas. Em algumas modalidades, formato, acetato, etanol, metanol, metilamina, e quaisquer outros materiais orgânicos metabolicamente disponíveis são substancialmente ausentes do meio.

[00184] Em algumas modalidades, condições de alta salinidade que permitem sobrevivência de metanógenos podem retardar o crescimento de organismos contaminantes.

[00185] Em algumas modalidades, altas temperaturas que permitem sobrevivência de metanógenos podem retardar o crescimento de organismos contaminantes.

[00186] O termo “substancialmente não tem” ou “substancialmente ausente” ou “substancialmente exclui” da forma aqui usada refere-se à condição qualitativa de não ter uma quantidade de um componente particular significativo suficiente para contribuir com a função desejada (por exemplo, crescimento do microrganismos, produção de metano). Em algumas modalidades, o termo “substancialmente não tem” quando aplicado a um dado componente do meio significa que o meio contém menos que 5 %, 4 %, 3 %, 2 %, 1 %, 0,9 %, 0,8 %, 0,7 %, 0,6 %, 0,5 %, 0,4 %, 0,3 %, 0,2 %, 0,1 % ou menos do componente. Em algumas modalidades, o meio não contém quantidades detectáveis de um dado componente.

Estojos

[00187] A presente invenção ainda fornece estojos compreendendo qualquer de uma ou uma combinação de: uma cultura compreendendo os microrganismos metanogênicos, um reator, e um meio de cultura. A cultura do estojo pode ser de acordo com qualquer um dos ensinamentos de cultivo da forma aqui descrita. Em modalidades exemplares, o estojo compreende uma cultura compreendendo uma cepa de microrganismos metanogênicos adaptados que são capazes de crescimento e/ou sobrevivência em condições de alta temperatura (por exemplo, acima de cerca de 50 °C, conforme aqui descrito adicionalmente), condições de alta salinidade ou alta condutividade (conforme aqui descrito adicionalmente). Em algumas modalidades, o estojo compreende somente os microrganismos metanogênicos. O meio de cultura dos estojos pode ser de acordo com qualquer um dos ensinamentos de meio de cultura aqui descrito. Em algumas modalidades, o estojo compreende um meio de cultura compreendendo os componentes do Meio 1 ou compreendendo os componentes do Meio 2, da forma aqui descrita. Em algumas modalidades, o estojo compreende somente o meio de cultura. Em certos destes aspectos, o estojo pode compreender o reator compreendendo um anodo e cátodo. O reator pode ser de acordo com qualquer um dos ensinamentos de reatores aqui descrito.

III. Implementações e aplicações do sistema

[00188] O reator biológico de acordo com qualquer uma das modalidades discutidas anteriormente pode ser usado em uma variedade de implementações ou aplicações, tais como ilustrado nas figuras 13 e 14.

[00189] Por exemplo, um reator biológico pode ser usado como parte de um sistema independente 500, conforme ilustrado na figura 13. O sistema 500 pode ser usado para fornecer múltiplas fontes de energia (por exemplo, eletricidade e metano), ou par armazenar energia elétrica produzida durante condições favoráveis como outros recursos de energia (por exemplo, metano) para uso quando energia elétrica não pode ser gerada em níveis requeridos. Um sistema independente como este 500 pode ser particularmente usado na eletricidade presa espacial ou temporariamente de processamento onde ou quando esta eletricidade não tem mercados preferíveis.

[00190] O sistema 500 pode incluir um reator biológico 502 acoplado a uma ou mais fontes de eletricidade, por exemplo, uma instalação de energia a base de energia (por exemplo, instalação de energia acionada por carvão, instalação de energia acionada por gás natural, ou instalação de energia acionada por biomassa) 504, uma turbina de energia de vento 506, turbina de energia de água 508, uma célula combustível 510, sistema térmico solar 512 ou sistema fotovoltáico 514, ou uma instalação de energia acionada nuclear 516. Percebe-se que outras fontes de eletricidade (por exemplo, uma fonte de energia geotérmica, ou um capacitor ou super capacitor usado para armazenamento de energia) podem ser usadas além ou no lugar das ilustradas. De acordo com uma modalidade, o reator biológico 502 pode ser acoplado diretamente a instalação de energia a base de energia 504, instalação de energia acionada nuclear 516, ou outra instalação de energia que pode não ser capaz de produção de energia de rampa para cima ou para baixo sem custos e/ou atrasos significativos e em um sistema o reator biológico como este 502 usa eletricidade surplus para conversor dióxido de carbono em metano que pode ser usado em um gerador para produzir eletricidade suficiente para atender demandas adicionais. De acordo com uma outra modalidade, o reator biológico 502 pode usar eletricidade surplus (eletricidade que não é necessária para outros propósitos) gerada por uma ou mais das fontes 506, 508, 510, 512, 514 para conversor dióxido de carbono em metano para ser usado em um gerador para produzir eletricidade quando vento, água, sol ou outras condições são desfavoráveis para produzir eletricidade ou para produzir eletricidade suficiente para atender às demandas.

[00191] Também conforme ilustrado na figura 13, o reator biológico 502 pode ser acoplado a uma ou mais fontes de dióxido de carbono, por exemplo, uma ou mais instalação de energia a base de energias (por exemplo, instalação de energia acionada por carvão, instalação de energia acionada por gás natural, instalação de energia acionada por biomassa, ou combustíveis de célula a base de carbono, que pode ser usado como fábricas de co-geração de calor e energia ou ramo fábricas de energia de fábrica dedicada) 520, cujas instalações podem ser as mesmas ou diferentes da instalação 504. Alternativamente, o sistema independente 500 pode ser disposto na vicinidade de uma instalação industrial que fornece dióxido de carbono como um subproduto ou um produto de resíduo, incluindo instalações que fabricam etanol (por exemplo, fábricas de fermentação de etanol combustível) 522, instalações de fabricação industrial (por exemplo, instalações de fabricação de cimentos ou instalações de fabricação química) 524, instalações de fabricação comercial (por exemplo, cervejarias) 526, e refinarias petroquímicas 528. Embora tais emissões de fonte de ponto significativo possam servir bem como uma fonte de dióxido de carbono para o reator biológico 502, também pode ser possível usar igualmente fontes atmosféricas 530 (usando sistemas de adsorção/dessorção de dióxido de carbono para capturar dióxido de carbono atmosférico, por exemplo). Como uma alternativa adicional, o dióxido de carbono pode ser armazenado para uso no reator biológico (por exemplo, uma fonte armazenada 532).

[00192] Onde fonte de ponto significativo de emissões é usada como o dióxido de fonte de carbono (por exemplo, fontes 520, 522, 524, 526, 528), as emissões de dióxido de carbono podem ser divididas no reator biológico 502 para produzir metano quando energia elétrica é dissipada de um limiar pré-determinado. Quando energia elétrica está acima do limiar pré-determinado, as emissões de dióxido de carbono podem, ao contrário, ser emitidas na atmosfera, ou podem ser armazenadas (conforme representado pela fonte 532) para utilização posterior no reator biológico 502.

[00193] De acordo com certas modalidades, o dióxido de carbono de uma fonte de emissão de ponto pode ser misturado com outros gases, incluindo monóxido de carbono, hidrogênio, sulfito de hidrogênio, nitrogênio, ou oxigênio ou outros gases comuns aos processos industriais, ou pode ser substancialmente puro. A mistura de gases pode ser distribuída diretamente no reator biológico 502, ou o dióxido de carbono pode ser separado da mistura gasosa antes da distribuição ao reator biológico 502. Tais fontes de gases mistos incluem aterros, instalações de lixo em energia de utilidade, instalações de resíduo sólido municipal ou industrial, digestores anaeróbicos, operações de alimentação de animal concentrada, poços de gás natural e instalações para purificar gás natural, cujas fontes podem ser consideradas juntamente com as fontes ilustradas 520, 522, 524, 526, 528, 530, 532.

[00194] Em operação, eletricidade e dióxido de carbono pode ser distribuída ao reator biológico 502 continuametne para manter uma produção desejada de metano. Alternativamente, a taxa de distribuição da corrente elétrica, o dióxido de carbono, ou água ao reator biológico 502 pode variar o que pode fazer com que a taxa de produção de metano varie. As variações na corrente elétrica, dióxido de carbono, e água podem variar de acordo com o projeto (para modular a taxa de produção de metano em resposta à maior ou menor demanda) ou a medida em que a disponibilidade destas entradas varia.

[00195] Conforme também ilustrado na figura 13, o sistema 500 pode incluir certos equipamentos pós-processamento 540 associados ao reator biológico 502. Por exemplo, dependendo da natureza do reator biológico 502, o fluxo de material que sai da primeira câmara (cátodo) pode ser enviado para um separador líquido-gás. Alternativamente, pode ser necessário processar o metano a partir de uma forma gasosa em uma forma líquida, que pode ser mais conveniente para os propósitos de armazenamento ou transporte. Ainda de acordo com modalidades adicionais, o gás pode precisar ser filtrado para remover subprodutos, cujos subprodutos podem ser armazenados ou transportados separadamente ou podem ser dispostos de material de resíduo. Em qualquer evento, o metano produzido pelo reator biológico pode ser enviado para um sítio de armazenamento 550, ou opcionalmente a um sistema de distribuição ou transporte 552, tais como discutidos em detalhe com referência ao sistema ilustrado na figura 14. O metano também pode ser usado localmente, por exemplo, para substituir gás natural em operações locais para calor ou na produção química.

[00196] Percebe-se que embora a discussão tenha focado em metano como o produto principal do reator 502, o reator 502 também produzirá oxigênio, que pode ser referido como um produto secundário ou como um subproduto. Oxigênio pode ser armazenado ou transportado da mesma maneira que metano, e mo tal um sistema de armazenamento e/ou distribuição de sítio paralelo pode ser estabelecido para o oxigênio igualmente gerado. Como um exemplo como este, o oxigênio pode ser usado localmente, por exemplo, para melhorar a eficiência de combustão e/ou conversão de energia combustível da célula.

[00197] Na alternativa a uma implementação sozinha, um sistema integrado 600 pode ser fornecido em que um reator 602 é acoplado a um sistema de distribuição de energia elétrica de energia 604, ou sistema de energia curto, conforme ilustrado na figura 14. O sistema de energia 604 pode conectar a uma fonte de eletricidade 606, por exemplo, uma ou mais instalações de energia discutidas anteriormente, tais como uma instalação de energia a base de energia (por exemplo, instalação de energia acionada por carvão, instalação de energia acionada por gás natural, ou instalação de energia acionada por biomassa), uma turbina de energia de vento, turbina de energia de água, uma célula combustível, sistema térmico solar ou sistema fotovoltáico, ou uma instalação de energia acionada nuclear. Estas instalações 606 podem ser conectadas, por meio de subestações de transmissão 608 e linhas de transmissão de alta voltagem 610, a subestações de energia 612 e grades de distribuição local associadas 614. Um sistema de energia de distribuição local 614 pode ser conectada a um ou mais reatores biológicos 602 de acordo com a presente descrição por meio de um circuito de indução 616.

[00198] Conforme notado anteriormente, certas destas instalações de energia, tais como as que queimam os combustíveis a base de carbono, operam mais eficientemente no estado estável (isto é, produção de energia em rampa para cima ou para baixo causa custos e/ou atrasos significativos). O sistema de energia também pode ser conectado às instalações de energia que têm um resultado variável, tais como as turbinas de energia acionadas pelo vento e por águas e os sistemas térmicos-solares e fotovoltáicos. Adicionalmente, usuários de energia têm demanda variável. Como tal, a eletricidade que produtores de energia com os menores gastos de operação marginal desejam fornecer ao sistema de energia 604 pode, e tipicamente excede a demanda durante longos períodos (então chamados períodos fora de pico). Durante estes períodos, o excesso da capacidade pode ser usado por um ou mais reatores biológicos 602 de acordo com a presente descrição para produzir metano.

[00199] Conforme notado anteriormente, o reator biológico 602 pode ser acoplado a uma ou mais fontes de dióxido de carbono 620, por exemplo, incluindo instalação de energia a base de energias (por exemplo, instalação de energia acionada por carvão, instalação de energia acionada por gás natural, instalação de energia acionada por biomassa, ou combustíveis de célula a base de carbono). Alternativamente, o sistema 600 pode ser disposto próximo a uma instalação industrial que fornece dióxido de carbono como um subproduto ou um produto de resíduo, ou pode usar fontes atmosféricas de dióxido de carbono ou dióxido de carbono armazenado. De fato, embora seja possível ter uma fonte de dióxido de carbono prontamente disponível para conversão em metano quando eletricidade fora do pico também é disponível, também pode ser necessário armazenar dióxido de carbono durante períodos fora o período fora do pico (ou de pico) para posterior conversão quando a eletricidade é disponível. Por exemplo, uma fonte de dióxido de carbono industrial tipicamente pode gerar a maioria de seu dióxido de carbono durante as horas do dia, que pode coincidir com o período de demanda de pico típico para eletricidade, fazendo com que alguma maneira de armazenar seja requerida, de maneira tal que dióxido de carbono suficiente seja disponível para ser usado em conjunto com produção de eletricidade fora de pico. Tanques impermeáveis de gás simples e baratos podem ser suficientes para tal armazenamento por curtos períodos de tempo, tais como parte de um dia ou por vários dias. Como para tais problemas de armazenamento por longos períodos ou para grandes volumes, atualmente tem-se dedicado esforço considerável ao sequestro de dióxido de carbono em sítios de armazenamento no subsolo, e pode ser possível utilizar o dióxido de carbono sequestrado armazenado em tais sítios como a fonte 620 de dióxido de carbono para uso no reatores biológicos 602 de acordo com a presente descrição.

[00200] Como foi o caso com o sistema 500, o sistema 600 pode incluir equipamento pós-processamento opcional 630 que é usado para separar ou tratar o metano produzido no reator 602 conforme requerido. O metano pode ser direcionado do reator biológico 602 (com ou sem pós-processamento) em um ou mais vasos de contenção 640. De fato, o metano pode ser armazenado em tanques de armazenamento no subsolo, ou transportado por tubulações de gás natural local ou interestadual para locais de armazenamento no subsolo, ou reservatórios, tais como reservatórios de gás esgotado, aquíferos e cavernas de sal. Adicionalmente, o metano pode ser liquefeito para armazenamento mais compacto, em particular onde os reatores biológicos 602 são localizados onde uma conexão a um sistema de energia e uma fonte de dióxido de carbono são prontamente disponíveis, mas a conexão a uma tubulação de gás natural não é econômica.

[00201] Ainda percebe-se a partir da figura 14 que metano pode ser retirado do armazenamento 640 ou enviado diretamente do reator 602 (opcionalmente pelo equipamento pós-processamento 630) a um subsistema de coleta de metano 650. A partir do subsistema de coleta 650, o metano pode ser introduzido em um subsistema de transporte 652, cujo sistema 652 pode ser um sistema de tubulações local, interestadual ou internacional para o transporte de metano, ou alternativamente gás natural. Com relação a isto, o metano produzido pelo reator 602 pode ter a vantagem da infraestrutura existente para transportar o metano de seu local de produção para seu local de consumo. O sistema de transporte 652 pode ser acoplado a um subsistema de distribuição 654 que ainda facilita sua transmissão ao consumidor 656, cujo consumidor pode ser localizado remoto do reator biológico 602. Percebe-se que de acordo com certas modalidades da presente descrição, o consumidor 656 pode ainda ser uma das fontes de eletricidade 606 conectadas ao sistema de energia 604.

[00202] Também percebe-se que um reator biológico para produzir metano pode ser usado em um ambiente atmosférico fechado contendo dióxido de carbono ou em que dióxido de carbono é liberado pela respiração ou outros processos biológicos ou por reações químicas, tais como combustão ou por uma célula combustível. De acordo com uma modalidade como esta, o reator biológico pode ser de operação como uma implementação sozinha (como na figura 13) ou como parte de um sistema integrado (como na figura 14). O dióxido de carbono em um ambiente como este pode ser combinado no reator biológico com corrente elétrica e água para produzir metano e oxigênio. Produção de metano por este processo pode ocorrer em uma construção selada para propósitos de contenção, ou compartimento no subsolo, mina ou caverna ou em veículo submersível, tais como um submarino, ou qualquer outro dispositivo ou compartimento que tem acesso limitado ao oxigênio molecular externo, mas energia elétrica, água e dióxido de carbono suficientes para suportar a produção de metano e oxigênio. Oxigênio produzido pelo reator biológico desta maneira pode ser armazenado como um gás ou liquefeito para uso, venda ou distribuição.

[00203] Embora os exemplos anteriores tenham discutido os usos potenciais para metano produzido pelo reator biológico atendendo às necessidades industriais, comerciais, de transporte ou residenciais (por exemplo, conversão em eletricidade por meio de combustão em um gerador de combustível a base de carbono ou outros usos, tais como aquecimento ou cozimento, conversão de metano em eletricidade a base de não combustão, tais como pelas células combustíveis, ou conversão química em outros compostos, tais como por halogenação, ou reação com outra espécie reativa), também é possível apreciar o uso do reator biológico de acordo com a presente descrição, tanto em um sistema independente quanto como conectado a um sistema de energia, como um mecanismo para captura de carbono. Isto é, separado e além de seus usos para fornecer um recurso de energia alternativo, os reatores biológicos de acordo com a presente descrição podem ser usados para remover dióxido de carbono da atmosfera, onde o dióxido de carbono é produzido por microrganismos vivos, por oxidação química de material orgânico ou da combustão de combustíveis fósseis a base de carbono, em particular onde o dióxido de carbono pode ser produzido por fontes de ponto grandes, tais como instalações de energia de combustível fóssil, instalações de queima ou fermentação de comento. A conversão de dióxido de carbono em metano assim pode produzir não somente metano, que tem múltiplos outros usos, mas a conversão de dióxido de carbono de acordo com a presente descrição pode gerar ou produzir créditos de carbono para a fonte do dióxido de carbono, em que a produção de dióxido de carbono da fonte é menor. Estes créditos de carbono então podem ser usados em um esquema regulatório para compensar outras atividades tomadas pelo produtor de dióxido de carbono, ou no ciclo de vida dos produtos usados ou realizados pelo produtor de dióxido de carbono, tais como para combustíveis renováveis derivados de biomassa, ou gasolina refinada de petróleo bruto ou pode ser usado em um esquema de negócio para produzir uma fonte separada de renda. Créditos ou compensações podem ser vendidos ou transportados em associação com o metano, ou oxigênio, ou outros produtos gerados pelo reator biológico ou pelo uso do reator biológico, ou os créditos podem ser negociados independentemente, tais como em uma troca ou venda direta ao consumidor. Em casos onde o reator biológico funciona em um negócio, ou como parte de um contrato de negócio com uma entidade, que usa oxigênio, gás natural ou metano de fontes de fóssil ou geológica, o metano produzido pelo reator biológico pode ser distribuído ou vendido em um sistema de distribuição de gás natural em tempos ou em locais diferentes do uso de gás natural e o negócio pode reter quaisquer créditos ou compensações associadas ao oxigénio ou metano produzido com o reator biológico e aplicar tal crédito ou compensações ao gás natural ou oxigênio comprado de outras fontes e não produzido diretamente pelo reator biológico.

IV. Outras modalidades exemplares

[00204] De acordo com uma modalidade, um método de conversor dióxido de carbono a metano compreende a) preparar uma cultura de archaea metanogênica hidrogenotrófica, b) colocar a cultura de archaea metanogênica hidrogenotrófica em uma câmara de cátodo de uma câmara de eletrólise, a câmara de eletrólise tendo um anodo e um cátodo, o cátodo situado na câmara de cátodo, e as câmaras do cátodo e anodo separadas por uma barreira seletivamente permeável; c) fornecer dióxido de carbono à câmara de cátodo da câmara de eletrólise; d) fornecer água à câmara de eletrólise, e e) em que a archaea metanogênica hidrogenotrófica utiliza os elétrons liberados pelo cátodo e converter o dióxido de carbono a metano. Adicionalmente, a etapa e) de um método como este pode somente resultar na produção de gás metano pela archaea metanogênica hidrogenotrófica e uma cprrente separada de gás oxigênio pelo anodo.

[00205] De acordo com uma outra modalidade, um método de converter dióxido de carbono a metano compreende a) preparar uma cultura de archaea metanogênica hidrogenotrófica; b) colocar a cultura de archaea metanogênica hidrogenotrófica em uma câmara de cátodo de uma câmara de eletrólise, a câmara de eletrólise tendo uma câmara de anodo e uma câmara de cátodo em que a câmara do anodo tem um anodo e a câmara de cátodo tem um cátodo; c) fornecer dióxido de carbono à câmara de eletrólise; d) fornecer água à câmara de eletrólise; e) em que uma diferença de potencial elétrico é mantida entre o cátodo e o anodo; e f) em que a archaea metanogênica hidrogenotrófica utiliza a diferença de potencial elétrico entre o cátodo e o anodo para converter o dióxido de carbono to metano. De acordo com um método como este, a câmara do anodo e a câmara de cátodo podem ser separadas por uma barreira seletivamente permeável.

EXEMPLO 1

[00206] Câmara de eletrólise vertical/confiquração da célula. Uma célula de eletrólise cilíndrica, 1,2 cm de diâmetro interno, foi construída de plástico polussulfona e disposta com um anodo exposto ao ar na base, coberta por um Nafion 117 PEM e a câmara de cátodo fechada no topo (Figura 3). Uma camada catalítica Pt-carbono em uma camada de difusão de gás de malha de carbono (GDE- LT) foi usada como o anodo, com um coletor de corrente de anel de titânio em torno da circunferência da célula. A área ativa do Nafion 117 PEM foi 1,2 cm2. A câmara de cátodo fechada teve um volume interno total de 3 mL e durante operação os ~1,5 mL da fase gasosa acima da fase líquida foram varridos com um fluxo contínuo (20 mL/min) de gás carreador inerte. A composição do gás de saída, incluindo quaisquer gases emitidos na câmara de cátodo, foi analisada continuamente por espectrometria de massa. O eletrodo do cátodo foi construído de espuma de carbono vítrea reticulada (ERG Materials and Aeroespaço Corp.) na forma de um cilindro, 1,2 cm de diâmetro, 1 cm de altura, colocado em contato com o PEM, preenchendo aproximadamente metade da câmara, e conectado eletricamente ao lado de fora por um fio de titânio. A câmara de cátodo foi preenchida com 1,5 ml_ de suspensão celular concentrada, que assentou e preencheu o eletrodo de espuma. A espuma de carbono forneceu uma alta área superficial para contato íntimo entre o cátodo e os microrganismos. Ocasionalmente, gás foi liberado das bolhas formadas na solução pela adição de 5-10 microlitros de agente antiespumante.

[00207] Preparação da suspensão celular. Crescimento da cultura inicial. Células cresceram em um fermentador de tanque agitado continuamente, BioFIo 110, com um volume interno total de 1,3L e um volume líquido típico de 0,6 L. Um inoculo inicial do metanógeno termofílico autotrófico hidrogenotrófico, Methanothermobacter thermautotroficous, DSMZ 3590, cresceu a 60 °C como uma cultura de lote em um meio contendo os seguintes componentes: Na3nitrilotriacetato, 0,81 mM; ácido nitrilotriacético, 0,4 mM; NÍCI2-6H2O, 0,005 mM; COCI2-6H2O, 0,0025 mM; Na2MoO4- 2H2O, 0,0025 mM; MgCl2-6H2O, 1,0 mM; FeSO4-7H2O, 0,2 mM; Na2SeO3, 0,001 mM; Na2WO4, 0,01 mM; KH2PO4, 10 mM; NaCI, 10 mM; L-cisteína, 0,2 mM. Este meio foi aspergido com uma mistura gasosa 4:1 de H2:CO2 gerada com controladores de fluxo de massa em um fluxo total de 250 padrão mL/minuto. O pH do meio foi inicialmente mantido a 6,85 por um pH que usou hidróxido de amónio 2 M para fazer ajustes. Durante a fase de crescimento precoce da cultura quando produção de metano foi limitada pela concentração da célula e aumentou em uma taxa exponencial, uma solução de sulfito de sódio 0,5 M foi adicionada conforme necessário para manter 0 potencial redox abaixo de -300 mV. Uma vez que a cultura cresceu e produção de metano alcançou um estado estável, a cultura manteve o potencial redox abaixo de -450 mV por si só, usando hidrogênio como o agente redutor. A adição de sulfito foi diminuída para uma taxa mínima (<1 ppm de H2S no gás de escape, conforme determinado por espectrometria de massa) necessária para manter a produtividade de metano estável com esta cepa de metanógeno. Nestas condições, produção de metano no estado estável corresponde a 96-98 % de conversão do hidrogênio de entrada.

[00208] Seleção de uma cepa adaptada ás condições de crescimento quase estacionárias. Depois que as condições de estado estável foram estabelecidas, a cultura foi mantida por várias semanas sem a adição de meio recém preparado. Ao contrário, o maior volume da cultura gerado por produção de água durante metanogênese foi continuamente removido. Os nutrientes inorgânicos removidos junto com o meio removido e microrganismos foram substituídos de um estoque concentrado 100x como se segue: Nasnitrilotriacetato, 81 mM; ácido nitrilotriacético, 40 mM; NÍCI2-6H2O, 0,5 mM; C0CI2-6H20, 0,25 mM; Na2MoO4-2H2O, 0,25 mM; MgCI2-6H2O, 100 mM; FeSO4-7H2O, 20 mM; Na2SeO3, 0,1 mM; Na2WO4, 1,0 mM; KH2PO4, 1,0 M; NaCI, 1,0 M; L-cisteína, 20 mM. O objetivo de manter esta cultura estendida em condições de crescimento quase estacionárias foi selecionar uma cepa que pode desenvolver bem e sobreviver em condições similares às encontradas na câmara de eletrólise.

[00209] Desempenho em condições de eletrólise. A cultura adaptada, em uma concentração celular de 5-7 g de peso seco/L, foi privada de energia aspergindo a 250 mL/min com uma mistura gasosa 4:1 de Ar:CO2 por várias horas até que nem hidrogênio nem metano apareça na corrente de gás efluente. As células em uma amostra da cultura foram então concentradas três vezes por centrifugação em condições anaeróbicas e ressuspensas em uma concentração final de 15-21 g de peso seco/L. Um milímetro e meio desta suspensão concentrada foi colocado na câmara e impregnado no cátodo de espuma de carbono (Figura 3). O cátodo foi polarizado em uma voltagem de 3,0 a 4,0 V, com relação ao anodo, e os gases que saem da câmara foram monitorados em um fluxo de 20 mL/min de gás carreador de He. Conforme pode-se ver na figura 15, metano é o único produto gasoso em voltagens menores que 4,0 V, mas uma proporção menor de gás hidrogênio também pode ser produzida em voltagens maiores. Outros produtos de reação eletroquímicos possíveis, tais ramo monóxido de carbono, ácido fórmico ou metanol não foram detectados.

[00210] Várias melhorias alternativas. Muitas modificações deste ajuste são previstos e pretendidos no escopo desta descrição. Espuma de grafite estendida ou particulado de grafite ou outros materiais eletricamente condutores com alta razão superfície para volume podem ser adequados como eletrodos do cátodo. Uma solução do cátodo circulante pode permitir troca de gás mais rápida e completa com o lado de fora da câmara de eletrólise. Temperaturas alternativas podem permitir transferência de carga mais eficiente através da membrana que separa a câmara do cátodo e anodo. Materiais alternativos, incluindo compósito Nafion/PTFE, podem ser adequados para uso como a membrana seletivamente permeável que separa as câmaras do cátodo e anodo. Geometrias alternativas das câmaras podem melhorar o transporte de carga e gás para os micróbios e deles. Cepas alternativas de micróbios metanogênicos podem ser mais tolerantes das várias cepas mecânicas, demandas elétricas, e exposição ao metabólito presentes nesta invenção.

[00211] TABELA 1

[00212] TABELA 2

[00213] TABELA 3

[00214] TABELA 4

[00215] TABELA 5

Claims

1. Sistema para produzir metano, caracterizado pelo fato de que o sistema possui: um reator biológico (102) tendo uma primeira câmara (104) contendo um cátodo (108), uma cultura de microrganismos metanogênicos, e água, e uma segunda câmara (106) contendo um anodo (110), em que uma barreira (112) permeável ao próton separa as primeira (104) e segunda (106) câmaras, em que a cultura tem uma temperatura acima de 50 °C; uma fonte de eletricidade (120) acoplada ao anodo (110) e o cátodo (108); uma fonte de dióxido de carbono (132) acoplado à primeira câmara (104); e uma saída (134) para receber metano da primeira câmara (104).

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a cultura tem uma temperatura de 55 °C a 150°C.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a cultura tem uma temperatura de 60 °C a 120°C.

4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que possui ainda uma barreira (112) impermeável ao gás, permeável ao próton, separando as primeira (104) e segunda (106) câmaras.

5. Sistema de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a barreira compreende uma membrana de eletrólito de polímero sólido.

6. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o cátodo compreende um material condutor eletricamente poroso.

7. Sistema de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o material condutor eletricamente poroso compreende uma espuma de carbono reticulada.

8. Sistema de acordo com a reivindicação 7, te caracterizado pelo fato de que os microrganismos metanogênicos são impregnados na espuma de carbono reticulada.

9. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a cultura compreende Archaea do sub-reino Euryarcheaota.

10. Sistema de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a cultura é uma monocultura de Euryarcheaota.

11. Sistema de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a cultura é uma monocultura de Methanothermobacter thermautotrophicus.

12. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fonte de eletricidade compreende um ou mais selecionado dentre uma instalação de energia acionada por carvão, uma instalação de energia acionada por gás natural, uma instalação de energia acionada por biomassa, uma instalação de energia acionada nuclear, uma turbina de energia de vento, uma turbina de energia de água, uma célula combustível, uma fonte de energia geotérmica, um sistema térmico solar ou um sistema fotovoltáico.

13. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que oxigênio é o único subproduto gasoso.

14. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que água é um doador de elétron de rede primário para os microrganismos metanogênicos.

15. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o reator biológico opera a uma densidade de corrente elétrica acima de 6 mA/cm2.

16. Método para produzir metano, caracterizado pelo fato de que o método compreende: fornecer eletricidade ao sistema como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 15; fornecer dióxido de carbono à primeira câmara (104); e coletar metano da primeira câmara (104).

17. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o fornecimento de eletricidade compreende fornecer eletricidade durante um período de demanda não pico.

18. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que ainda compreende coletar oxigênio da segunda câmara (106).

19. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que ainda compreende armazenar e transportar o metano.

20. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o fornecimento de dióxido de carbono compreende reciclar dióxido de carbono de uma fonte industrial concentrada ou dióxido de carbono atmosférico.