BR112012010749A2 - processo biológico e químico para a captura de dióxido de carbono e/ou outras fontes de carbono inorgânico em compostos orgânicos - Google Patents

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Abstract

PROCESSO BIOLÓGICO E QUÍMICO UTILIZANDO MICROORGANISMOS QUEMOAUTOTRÓFICOS PARA A FIXAÇÃO QUIMIOSINTÉTICA DE DIÓXIDO DE CARBONO E/OU OUTRAS FONTES DE CARBONO INORGÂNICO NOS COMPOSTOS ORGÂNICOS, E A GERAÇÃO DE PRODUTOS ADICIONAIS ÚTEIS. A invenção aqui descrita apresenta composições e métodos para um processo de várias etapas biológicas e químicas para a captura e conversão de dióxido de carbono e/ou outras formas de carbono inorgânico em produtos químico orgânicos, incluindo biocombustíveis ou de outros industriais útil, química, farmacêutica, produtos de biomassa. Um ou mais etapas do processo utiliza microorganismos quemoautotróficos para fixar carbono inorgânico em compostos orgânicos através de quimiossíntese. Uma característica adicional descritas são etapas do processo pelo qual os doadores de elétrons usada para a fixação quimiosintética de carbono são gerados por meios químicos ou electroquímicos, ou são produzidos a partir de fontes inorgânicas ou resíduos. Uma característica adicional descritas são as etapas do processo para a recuperação de produtos químicos úteis produzidos pela captura de dióxido de carbono e processo de conversão, tanto a partir de passos de reação quimiossintéticos, bem como a partir de passos de reacção não biológicos.

Description

' “PROCESSO BIOLÓGICO E QUÍMICO PARA A CAPTURA E CONVERSÃO DE DIÓXIDO DE CARBONO E/OU OUTRAS FONTES DE CARBONO INORGÂNICO EM a COMPOSTOS ORGÂNICOS” Campo da Invenção Ss A presente invenção está dentro das áreas técnicas dos biocombustíveis, biorre- F mediação, captura de carbono, dióxido de carbono-a-combustíveis, reciclagem do carbono, sequestro de carbono, armazenamento de energia e renováveis/alternativas e/ou baixa pro- " dução de carbono de fontes de emissão de dióxido de energia. Especificamente a presente invenção envolve em certos aspectos uma única utilização de biocatalisadores dentro de um processo biológico e químico para fixar o dióxido de carbono e / ou outras formas de carbo- no inorgânico em produtos químicos orgânicos através de quimiossíntese. Além disso, cer- tas concretizações da presente invenção envolvem a produção de produtos químicos co- produtos que são co-gerados por meio de etapas de reação quimiossintéticos e/ou etapas de reação não biológicas, como parte de uma captura de carbono global e processo de con- versão. A presente invenção pode permitir a captura eficaz de dióxido de carbono da atmos- fera ou a partir de uma fonte pontual de emissões de dióxido de carbono para a produção de combustível para transporte de líquido elou outros produtos químicos orgânicos, os quais podem ajudar a endereçar gases induzidos pela mudança climática e contribuir para a pro- dução doméstica de combustíveis renováveis transportando os líquidos, sem qualquer de- pendência da agricultura. Antecedentes da Invenção O espantoso progresso tecnológico e econômico alcançado nos últimos 100 anos tem sido amplamente alimentado por combustíveis fósseis. No entanto, à sustentabilidade desse progresso está agora em questão, tanto devido ao aumento dos gases com efeito de estufa causado pela queima de combustíveis fósseis, como pela crescente escassez de re- cursos fósseis. O hidrogênio que pode ser gerado através de um número de diferentes inorgânicos : tecnologias de energia renovável, incluindo solar, vento, e geotérmica tem sido proposto como um substituto para os combustíveis de hidrocarbonetos. Mas o hidrogênio tem seu - 30 próprio conjunto de problemas, incluindo mais notavelmente problemas com armazenamen- to. Ironicamente, o melhor meio de armazenamento de produtos químicos para o hidrogênio, tanto em termos de volumetria e densidade de energia gravimétrica é possivelmente hidro- carbonetos, como gasolina, sugerindo que a busca por combustível de hidrogênio pode sim- plesmente levar o círculo de volta aos hidrocarbonetos.
Os biocombustíveis são um tipo promissor de hidrocarboneto renovável, geralmente feito através da captura e conversão de CO; em matéria orgânica por organismos fotossinté- ticos. Uma vez que a atual frota de transporte e infra-estrutura é projetada para os combus- tíveis fósseis com propriedades semelhantes aos biocombustíveis, pode ser mais facilmente ser adaptado para os biocombustíveis, que aos produtos energéticos inorgânicos tais como
] armazenamento de hidrogênio ou baterias. Uma vantagem adicional dos biocombustíveis, e hidrocarbonetos, em geral, é que eles têm algumas das mais altas densidades de energia ? volumétrica e gravimétricas encontradas para qualquer forma de armazenamento de energia química - substancialmente mais elevada do que o alcançado com as atuais baterias de lítio etecnologiasde armazenamento de hidrogênio. No entanto, os biocombustíveis produzidos Z através da fotossíntese têm seu próprio conjunto de problemas. A maioria dos biocombustíveis produzidos atualmente se baseia na agricultura. Os 7 requisitos pesados de projetos de biocombustíveis agrícolas de grande escala para terras aráveis, água potável e outros recursos necessários para o crescimento da planta têm sido culpados de rapidamente aumentar os preços dos alimentos e a perda de habitat natural [The Price of Biocombustíveis: The Economics Behind Alternative Fuels, Technology Revi- ew, janeiro / fevereiro de 2008]. Como uma alternativa para as plantas de ordem superior, os micro-organismos fo- tossintéticos, como algas e cianobactérias estão sendo analisados para aplicações de con- —versãode CO, em biocombustíveis ou outros produtos químicos orgânicos [Sheehan et al, 1998, " A Look Back at the U.S. Department of Energy's Aquatic Species Program - Biodie- sel from Algae"]. Tecnologias de algas e cianobactérias se beneficiam de taxas de cresci- mento relativamente elevadas, superando de longe as plantas de ordem superior na sua taxa de fixação de carbono por unidade de biomassa mantida. Numa aplicação da tecnolo- giade algas promissora, uma elevada taxa de fixação de carbono e produção de biomassa é obtida dirigindo uma corrente concentrada de CO,, tal como é emitida a partir de fontes industriais, através de biorreatores contendo algas [Bayless et al. Patente dos EUA
6.667.171 À). Tecnologias baseadas em micróbios fotossintéticos compartilham a desvantagem comum a todos os sistemas de fotossíntese em que a fixação de carbono só ocorre com a exposição à luz. Se o nível de luz é deficiente, um sistema de algas pode, na verdade, tor- nar-se um produtor líquido de emissões de CO. Um biorreator ou lagoa usado para cultivar : micróbios fotossintéticos tais como algas deve ter uma elevada relação entre a área de su- perfície e o volume, a fim de permitir que cada célula receba luz suficiente para a fixação de - 30 carbono e crescimento celular. Caso contrário, o bloqueio de luz por células na superfície deixará células localizadas na direção do centro do volume na escuridão - transformando-os em emissores de CO,. Esta elevada relação entre a área de superfície e o volume necessá- rio para a implementação eficiente das tecnologias de algas e cianobactérias geralmente resulta em uma pegada de terra grande (lagoas) ou materiais com custos altos (biorreato- res). Os tipos de materiais que podem ser usados na construção de biorreator de algas são limitados pelo requisito de que as paredes que ficam entre a fonte de luz e o ambiente de crescimento de algas precisam ser transparentes. Este requisito restringe a utilização de materiais de construção que normalmente seriam preferidos para utilização em projetos de grande escala, tal! como, concreto, aço,, e terraplenagem.
" Além dos processos biológicos de fixação de CO, que foram discutidos, há também processos químicos totais para a fixação de CO; a compostos orgânicos (LBNL Helios; ” LANL Green Freedom; Sandia Sunshine to Petrol; PARC). As tecnologias químicas totais são atualmente dificultadas pelos catalisadores que são necessários para a reação relativa- —mentecomplicadade CO,a carbono fixo, especialmente C, e hidrocarbonetos mais longos.
S Micro-organismos Quimiocautotróficos são conhecidos que catalisa a reação de fixa- ção de carbono sem fotossíntese.
As reações quimiossintéticas realizadas por quimioautó- trofos para a fixação de CO,, e outras formas de carbono inorgânico, para compostos orgã- nicos, é alimentada por energia potencial armazenada em produtos químicos inorgânicos, em vez de pela energia radiante de luz [Shively et al, 1998; Smith et al, 1967; Hugler et al, 2005; Hugker et al, 2005;. Scott e Cavanaugh, 2007]. Vias bioquímicas de fixação de carbo- no que ocorrem em quimioautótrofos incluem o ciclo do ácido tricarboxílico redutor, a Calvin- Benson-Bassham ciclo [Jessup Shively, Geertje van Kaulen, Wim Meijer, Annu.
Rev.
Micro- biol., 1998, 191-230], and the Wood-Ljungdah! pathway [Ljungdahl, 1986; Gottschalk, 1989; Lee,2008; Fischer, 2008]. Trabalhos anteriores relativos a certas aplicações de micro-organismos quimioauto- tróficos na captura e conversão de gás CO, em carbono fixo são conhecidos [United States Patent 4596778 "Single cell protein from sulfur energy source" Hitzman, 24 de junho de 1986], [United States Patent 4859588 "Production of a single cell protein ", Sublette 22 de agosto de 1989], [United States Patent 5593886 "Clostridium strain which produces acetic acid from waste gasses Gaddy ", 14 de janeiro de 1997], [United States Patent 5989513” Biologically assisted process for treating sour gas at high pH", Rai 23 de novembro de 1999]. No entanto, cada uma destas abordagens convencionais sofreram deficiências que têm limi- tado a eficácia, a viabilidade económica, praticidade e adoção comercial dos processos des- —critos.
A presente invenção em certos aspectos aborda uma ou mais das deficiências acima referidas.
Micro-organismos quimioautotróficos também têm sido utilizados para converter - biologicamente syngas em C, e compostos orgânicos, incluindo mais ácido acético e aceta- to, e biocombustíveis como o etanol e butano! [Gaddy, 2007; Lewis, 2007; Heiskanen, 2007; . 30 —Worden, 1991; Klasson, 1992; Ahmed, 2006; Cotter, 2008; Piccolo, 2008, Wei, 2008], no entanto, em tais abordagens da matéria-prima é estritamente limitada ao carbono fixo (ou biomassa ou combustíveis fósseis), que é gaseificado e biologicamente convertido em uma outra forma de carbono fixo - biocombustível, e a fonte de carbono e fonte de energia utili- zada no processo de vir a partir da entrada mesmo processo, quer de biomassa ou de com- — bustível fóssil, e são completamente misturados dentro dos syngas sob a forma de H2, CO, e CO,. Os presentes inventores reconheceram no contexto da presente invenção que existe uma necessidade de processos que não requerem qualquer matéria-prima de carbono fixo, apenas o CO, e/ou outras formas de carbono inorgânico e/ou utilizar uma fonte de carbono e fonte de energia que são derivados a partir de entradas de processos separados.
" Sumário da Invenção Em resposta a uma necessidade na arte que os inventores reconheceram em fazer Y a invenção, um novo processo biológico e químico combinado para a captura e conversão do carbono inorgânico em compostos orgânicos que utiliza micro-organismos quimiossintéti- cosparaa fixação de carbono e que é concebido para acoplar a produção eficiente de com- À postos de alto valor orgânicos, tais como, combustível de hidrocarboneto líquido com a cap- tura das emissões de CO,, tornando a captura de carbono em um processo de geração de | receita é descrito.
Descritos aqui estão os processos biológicos e químicos para a captura e a conver- são de dióxido de carbono e/ ou outras fontes de carbono inorgânico, nos compostos orgâ- nicos compreendendo: introduzir o gás de dióxido de carbono, ou isoladamente e/ou dissol- vido em uma solução ou solução ainda compreendendo íon carbonato e/ou íon bicarbonato, e/ou introduzir o carbono inorgânico contido em uma fase sólida em um ambiente adequado para a manutenção dos organismos quimioautotróficos e/ou extratos de células quimioauto- tróficas; efixar o dióxido de carbono e/ou o carbono inorgânico nos compostos orgânicos no meio ambiente através de pelo menos uma reação de fixação carbono quimiossintético utili- zando micro-organismos quimioautotróficos obrigatórios e/ou facultativos e/ou extratos celu- lares contendo enzimas dos micro-organismos quimioautotróficos; no qual a reação de fixa- ção do carbono quimiossintético é conduzida por energia química e/ou eletroquímica forne- cida por doadores de elétrons e receptores de elétrons que foram gerados quimicamente e/ou eletroquimicamente e/ou são introduzidos no meio ambiente a partir de pelo menos uma fonte externa ao ambiente. A fonte de carbono pode ser separada a partir da fonte de energia em certas con- cretizações do presente invento, que lhe permite funcionar como uma tecnologia muito mais —geralde conversão de energia do que syngas para conversões de combustível líquido. Isto se deve porque os doadores de elétrons utilizados na presente invenção podem ser gerados a partir de uma grande variedade de diferentes fontes de energia isentas de CO,, tanto con- : vencional e alternativa, enquanto que para as conversões syngas para biocombustível, toda a energia armazenada no biocombustível é em última análise, derivado a partir da fotossin- 7 30 tese(com a energia geoquímica adicional no caso da alimentação de combustível fóssil).
A presente invenção, em certas concretizações, proporciona composições e méto- dos para a captura de dióxido de carbono a partir de fluxos de dióxido de carbono contendo gás e /ou dióxido de carbono atmosférico ou dióxido de carbono dissolvido em forma, o gás liquefeito ou quimicamente ligado através de um processo químico e biológico que utiliza —micro-organismos obrigatórios ou facultativos quimioautotróficos e organismos particular mente quimiolitoautotrófico, e/ou extratos celulares contendo enzimas a partir de micro- organismos quimioautotróficos em um ou mais etapas do processo de fixação de carbono. À presente invenção, em certas concretizações, proporciona composições e métodos para a recuperação, processamento, e uso dos produtos químicos de reações realizadas por qui-
: miossintéticos quimioautótrofos para fixar carbono inorgânico em compostos orgânicos.
À presente invenção, em certas concretizações, proporciona composições e métodos para a ! geração de processamento, e entrega de nutrientes químicos necessários para quimiossín- tese e manutenção de culturas quimioautotróficas, incluindo, mas não limitada ao forneci- —mentode doadores de elétrons e receptores de elétrons necessários para quimiossíntese.
A : presente invenção, em certas concretizações, proporciona composições e métodos para a manutenção de um ambiente favorável para quimiossíntese e crescimento quimioautotrófico, À e a recuperação e reciclagem de nutrientes químicos não utilizados e água de processo.
A presente invenção, em certas concretizações, proporciona composições e méto- dos paraas etapas de processos químicos que ocorrem em série e/ou em paralelo com as etapas reacionais quimiossintéticas que: convertem produtos químicos de entrada não refi- nados em produtos químicos mais refinados que são adequados para suportar a etapa de fixação de carbono quimiossintético; convertem entradas de energia em uma forma química que pode ser usada para conduzir quimiossíntese e, especificamente, em energia química —sobaforma de doadores de elétrons e receptores de elétrons; direciona o carbono inorgâni- co capturado a partir de fontes industriais ou atmosférica ou aquático em etapas de fixação de carbono do processo sob condições que são adequados para suportar a fixação de car- bono quimiossintético; processam ainda mais os produtos de saída das etapas de fixação de carbono quimiossintético em uma forma adequada para o armazenamento, transporte, ven- da, eloua eliminação segura de uma maneira que resulta em uma redução líquida de CO, gasoso libertado para a atmosfera.
As etapas de processo químico completo combinadas com as etapas de fixação de carbono quimiossintético constituem o processo de captura de carbono global e de conversão de certas formas de realização da presente invenção.
A pre- sente invenção, em certas concretizações, utiliza a integração de micro-organismos quimio- —autotróficos em uma corrente de processo químico, como um biocatalisador, em compara- ção com outras formas de vida.
Essa capacidade única decorre do fato de que quimioautó- trofos naturalmente atuam na interface entre biologia e química através de seu estilo de vida . quimiossintético.
Uma característica de certas formas de realização da presente invenção é a inclu- z 30 sãode uma ou mais etapas de processamento dentro de um processo químico para a cap- tura de carbono inorgânico e conversão para produtos de carbono fixo, que utilizam micro- organismos quimioautotróficos e/ou enzimas a partir de micro-organismos quimioautotróficos como um biocatalisador para a fixação do dióxido de carbono em correntes de gás contendo dióxido de carbono ou da atmosfera ou da água e/ou formas dissolvidas ou sólida de carbo- — no inorgânico, em compostos orgânicos.
Nestas etapas de processo, gás de combustão ou gás de processo ou o ar ou carbono inorgânico em solução, como o dióxido de carbono dis- solvido, íon carbonato, bicarbonato ou íon incluindo soluções aquosas, tais como água do mar, ou de carbono inorgânico em fases sólidas, tais como, mas não se limitam a carbona- tos e bicarbonatos, contendo dióxido de carbono, pode ser bombeado ou de outro modo f adicionado a um ambiente adequado, tal como um recipiente ou invólucro contendo meio com nutrientes e micro-organismos quimioautotróficos. Nestas etapas de processo, os mi- P cro-organismos quimioautotróficos realizam quimiossíntese para fixar carbono inorgânico em compostos orgânicos, utilizando a energia química armazenada em um ou mais tipos de — doadores de elétrons bombeados ou de outra forma fornecidos ao meio com nutrientes, in- : cluindo, mas não limitado a um ou mais dos seguintes: amoníaco; amônio; monóxido de carbono; ditionito; enxofre elementar; hidrocarbonetos; hidrogênio; metabissulfitos, óxido 1 nítrico, nitritos; sulfatos, tais como tiossulfatos, incluindo, mas não se limitam a tiossulfato de sódio ou tiossulfato de cálcio; sulfuretos, tais como sulfureto de hidrogênio; sulfitos; tionato; tionito, metais de transição ou os seus sulfuretos, óxidos, calcogenetos, halogenetos, hidró- xidos, oxihidróxidos, sulfatos, carbonatos, ou em fases solúveis ou sólida, bem como elé- trons de valência ou condução em materiais de elétrodos em estado sólido. Os doadores de elétrons são oxidados por receptores de elétrons na reação quimiossintética. Receptores de elétrons que podem ser utilizados na etapa de reação quimiossintética incluem, mas não estãolimitados a, um ou mais dos seguintes: dióxido de carbono, de ferro férrico ou outros íons metálicos de transição, nitratos, nitritos, oxigênio, sulfatos, ou buracos em materiais de elétrodo de estado sólido. A etapa de reação quimiossintética ou etapas de certos processos da invenção, em que o dióxido de carbono e/ou carbono inorgânico é fixado em carbono orgânico sob a for- made compostos orgânicos e biomassa podem ser realizadas em condições aeróbias, mi- croaeróbias anóxicas, anaeróbicas, ou facultativas. Um ambiente facultativo é considerado ser um em que a coluna de água é estratificada em camadas aeróbicas e anaeróbicas ca- madas. O nível de oxigênio mantido espacial e temporalmente no sistema dependerá das espécies quimioautotróficos utilizadas, e as reações de quimiossíntese desejadas a serem executada.
Uma característica adicional de certas formas de realização da presente invenção diz respeito à fonte, a produção, ou reciclagem dos doadores de elétrons utilizados pelos : micro-organismos quimioautotróficos para fixar o dióxido de carbono em compostos orgâni- cos. Os doadores de elétrons utilizados para a captura de dióxido de carbono e fixação de - 30 — carbono podem ser produzidos ou reciclados na presente invenção eletroquimicamente ou termoquimicamente usando energia a partir de um número de tecnologias de energia de fontes renováveis diferente e/ou de emissão baixo teor de carbono, incluindo mas não limi- tado a: a energia fotovoltaica, térmica solar, energia eólica, hidrelétrica, nuclear, geotérmica, geotérmica intensificada, térmica dos oceanos, energia das ondas, energia das marés. Os — doadores de elétrons podem também ser de origem mineralógica incluindo, mas não se limi- tam a, minerais reduzidos que contêm S e Fe. A presente invenção permite o uso de uma fonte de energia largamente inexplorada - energia geoquímica inorgânica. Os doadores de elétrons utilizados na presente invenção também podem ser produzidos ou reciclado através de reações químicas com hidrocarbonetos que podem ou não ser um combustível fóssil não
" renovável, mas em que a referida reações químicas produzem emissões baixas ou nulas de gás de dióxido de carbono.
Tais reações químicas de geração de elétrons que podem ser o usadas como etapas do processo em certas realizações da presente invenção incluem, mas não estão limitados a: a reação termoquímica de redução de sulfato ou TSR [avaliar o risco de encontrar Contaminantes de hidrocarbonetos não-gás (CO>, No, HS) Usando Geoquimi- : ca gás, www.gaschem.com / evalu.html] ou a reação de Muller-Kuhne; a redução de óxidos de metais, incluindo o óxido de ferro, óxido de cálcio e óxido de magnésio.
A fórmula de rea- Í ção para TSR é CaSO, + CH, — CaCO; + H2O + H2S.
Neste caso, o produto doador de elé- trons que pode ser usado por micro-organismos quimioautotróficos para a fixação de CO, é —sulfureto de hidrogênio.
O produto de carbonato sólido formado também pode ser facilmente isolado resultando em nenhuma liberação de dióxido de carbono para à atmosfera.
Há rea- ções semelhantes a redução de sulfato a sulfeto que envolvem hidrocarbonetos de cadeia mais longa [Changtao Yue, Shuyuan Li, Kangle Ding, Ningning Zhong, Termodinâmica e cinética de reações entre hidrocarbonetos C,-C; e de sulfato de cálcio em reservatórios car- — bonáticos profundos, Geochem.
Jour., 2006, 87-94]. Uma característica adicional de certas formas de realização da presente invenção diz respeito à formação e recuperação de produtos químicos orgânicos e/ou inorgânicos úteis a partir da etapa de reação quimiossintética ou etapas incluindo, mas não limitado a, uma ou mais das seguintes: ácido acético, outros ácidos orgânicos e sais de ácidos orgâni- cos, etanol, butanol, metano, hidrogênio, hidrocarbonetos, ácido sulfúrico, sais de sulfato, enxofre elementar, sulfuretos, nitratos, ferro férrico e outros íons metálicos de transição, ou- tros sais, ácidos ou bases.
Estes produtos químicos podem ser aplicados para utilizações incluindo, mas não limitado a um ou mais dos seguintes: como combustível, como uma ma- téria-prima para a produção de combustíveis; na produção de fertilizantes; como um agente de lixiviação para a extração química de metais em mineração ou biorremediação, como produtos químicos reagentes em processos industriais ou de mineração.
Uma característica adicional de certas formas de realização da presente invenção : diz respeito à formação e recuperação de produtos bioquímicos e/ou da biomassa a partir da etapa quimiossintética de fixação do carbono ou etapas.
Estes produtos bioquímicos e/ou da - 30 — biomassa podem ter aplicações incluindo, mas não limitado a, um ou mais dos seguintes: combustível para a combustão da biomassa, em particular como um combustível para ser co-alimentado com combustíveis fósseis, tais como o carvão em unidades de geração ener- gizadas a partir carvão pulverizado; como uma fonte de carbono para fermentações em grande escala para produzir vários produtos químicos, incluindo, mas não se limitam a en- —zimas comerciais, antibióticos, aminoácidos, vitaminas, bioplásticos, glicerol, ou 1,3- propanodiol; como uma fonte de nutrientes para o crescimento de outros micróbios ou orga- nismos; como ração para animais, incluindo mas não limitado a bovinos, ovinos, galinhas, porcos ou peixes; como matéria prima para o álcool ou outro biocombustível de fermentação elou processos de gaseificação e de liquefação, incluindo mas não limitado a liquefação
. direta, processos Fisher Tropsch, a síntese de metanol, a pirólise, transesterificação, ou conversões microbianas gás de síntese, para a produção de combustível líquido, como ma- " téria prima para a produção de metano ou de biogás; como fertilizante; como matéria prima para tecido ou de processos químicos, tais como mas não limitado à produção de plásticos —biodegradáveis/biocompatíveis; como fontes de substâncias farmacêuticas, medicinais ou fr nutricional; aditivos de solo e estabilizadores de solo.
Uma característica adicional de certas formas de realização da presente invenção 2 diz respeito à utilização de micro-organismos quimioautotróficos modificados na etapa do processo quimiossíntese/etapas tais que uma quantidade superior e/ou a qualidade de com- postos orgânicos, bioquímicos, ou biomassa são gerados através quimiossíntese. Os micró- bios quimioautotróficos utilizados nestas etapas podem ser modificados através de meios artificiais incluindo, mas não limitado a, mutagênese acelerada (por exemplo, usando a luz ultravioleta ou tratamentos químicos), a engenharia genética ou modificação, a hibridação, a biologia sintética ou de reprodução seletiva tradicional.
Outras vantagens e características inovadoras da presente invenção serão eviden- tes a partir da seguinte descrição detalhada das várias formas de realização não limitativas da invenção, quando considerada em conjunto com as figuras que a acompanham. Todas as publicações, patentes e pedidos de patente mencionados no texto são incorporados por referência na sua totalidade. Nos casos em que a presente especificação e um documento incorporado por referência incluem a divulgação em conflito e/ou inconsistente, a presente especificação deve controlar.
Breve Descrição das Figuras Formas de realização não limitativas da presente invenção serão descrita por meio de exemplo com referência às figuras anexas, que são esquemáticos e não se destinam a serem desenhadas à escala. Para fins de clareza, nem todos os componentes estão marca- do em cada figura, nem todo componente de cada forma de realização da invenção repre- sentada onde ilustração não é necessária para permitir que os peritos na arte compreendam . o invento. Nas figuras: FIG. 1 é um diagrama geral de fluxo de processo para uma forma de realização da . 30 presente invenção para uma captura de carbono e do processo de fixação; FIG. 2 é um diagrama de fluxo de processo para uma outra forma de realização da presente invenção com a captura de CO, realizada por quimioautótrofos oxidantes de hidro- gênio resultando na produção de etanol; FIG. 3 mostra o balanço de massa calculado para a forma de realização da FIG. 2 — reagindo CO, com H, para produzir etanol; FIG. 4 mostra o fluxo de entalpia calculada para o modo de realização da FIG. 2 re- agindo CO, com H, para produzir etanol; FIG. 5 mostra o balanço de energia calculado para a forma de realização da FIG. 2 reagir CO, com H, para produzir etanol;
7 FIG. 6. é um diagrama de fluxo do processo para a captura de CO, por quimioautó- trofos oxidantes de enxofre e produção de biomassa e ácido sulfúrico, de acordo com uma " forma de realização; FIG 7. é um diagrama de fluxo do processo para a captura de CO, por quimioautó- trofos oxidantes de enxofre e produção de biomassa e ácido sulfúrico através da reação : quimiossintética e carbonato de cálcio através da reação de Muller-Kuhne, de acordo com uma forma de realização; . FIG. 8 é um diagrama de fluxo do processo para a captura de CO, por quimioautó- trofos oxidantes de enxofre e produção de biomassa e carbonato de cálcio e de reciclagem dedoadorde elétrons através da reação de tiossulfato de Muller-Kuhne, de acordo com uma forma de realização, FIG 9 é um diagrama de fluxo do processo para a captura de CO, por quimioautó- trofos oxidantes de enxofre e ferro e produção de biomassa e ácido sulfúrico usando uma fonte insolúvel de doadores de elétrons, de acordo com uma forma de realização; FIG. 10 é um diagrama de fluxo do processo para a captura de CO, por quimioautó- trofos oxidantes de enxofre e hidrogênio e produção de biomassa, ácido sulfúrico, e etanol, utilizando uma fonte insolúvel de doadores de elétrons, de acordo com uma forma de reali- zação; e FIG. 11 é um diagrama de fluxo do processo para a captura de CO, por quimioautó- trofos oxidantes de ferro e hidrogênio e produção de biomassa, sulfato férrico, carbonato e etanol, utilizando carvão ou outro hidrocarboneto para gerar doadores de elétrons em um processo que não emite emissões de CO, gasoso, de acordo com uma forma de realização.
Descrição Detalhada A presente invenção proporciona, em certas concretizações, composições e méto- dos paraa captura e fixação do dióxido de carbono a partir de correntes de gás contendo dióxido de carbono e/ou dióxido de carbono atmosférico ou dióxido de carbono na forma líquida ou quimicamente ligado através de um processo químico e biológico que utiliza mi- . cro-organismos quimioautotróficos obrigatórios ou facultativos e organismos particularmente quimiolitoautotrófico, e/ou extratos celulares contendo enzimas a partir de micro-organismos . 30 —quimioautotróficos em uma ou mais etapas do processo. Extratos de células incluem, mas não estão limitados a: um lisado, extrato de fração, ou um produto purificado que exibe ativi- dade da enzima quimiossintética que podem ser criados por métodos padrão a partir de mi- cro-organismos quimioautotróficos. Além disso, a presente invenção, em certas concretiza- ções, proporciona composições e métodos para a recuperação, processamento, e uso dos — produtos químicos da etapa de reação quimiossintética ou das etapas executadas pelos quimioautótrofos para fixar carbono inorgânico em compostos orgânicos. Finalmente, a pre- sente invenção, em certas concretizações, proporciona composições e métodos para a pro- dução e processamento e entrega de nutrientes químicos necessários para a quimiossíntese e crescimento quimioautotróficos, e particularmente os doadores de elétrons e receptores
: para conduzir a reação quimiossintética; composições e métodos para a manutenção de um ambiente favorável a quimiossíntese e crescimento quimioautotróficos; e composições e S métodos para a remoção dos produtos químicos de quimiossíntese a partir do ambiente de crescimento quimioautotrófico e a recuperação e reciclagem de nutrientes químicos não uti- flizados í O gênero dos micro-organismos quimioautotróficos que podem ser empregados em uma ou mais etapas do processo da presente invenção incluem, mas não estão limitados a, Y um ou mais dos que seguem: Acetoanaerobium sp., Acetobacterium sp., Acetogenium sp., Achromobacter sp., Acidianus sp., Acinetobacter sp., Actinomadura sp., Aeromonas sSp., Alcaligenes sp., Alcaliqenes sp., Arcobacter sp., Aureobacterium sp., Bacillus sp., Beggiatoa sp., Butyribacterium sp., Carboxydothermus sp., Clostridium sp., Comamonas sp., Dehalo- bacter sp., Dehalococcoide sp., Dehalospirilum sp., Desulfobacterium sp., Desulfomonile sp., Desulfotomaculum sp., Desulfovibrio sp., Desulfurosarcina sp., Ectothiorhodospira sp., Enterobacter sp., Eubacterium sp., Ferroplasma sp., Halothibacillus sp., Hydrogenobacter sp, Hydrogenomonas sp., Leptospirilum sp., Metallosphaera sp., Methanobacterium sp., Methanobrevibacter sp., Methanococcus sp., Methanosarcina sp., Micrococcus Sp., Nitrobac- ter sp., Nitrosococcus Sp., Nitrosolobus sp., Nitrosomonas sp., Nitrosospira sp., Nitrosovibrio sp., Nitrospina sp., Oleomonas sp., Paracoccus sp., Peptostreptococcus sp., Planctomycetes sp., Pseudomonas sp., Ralstonia sp., Rhodobacter sp., Rhodococcus sp., Rhodocyclus sp., —Rhodomicrobium sp., Rhodopseudomonas sp., Rhodospirilum sp., Shewanella sp., Strep- tomyces sp., Sulfobacillus sp., Sulfolobus sp., Thiobacillus sp., Thiomicrospira sp, Thioploca sp., Thiosphaera sp., Thiothrix sp.. Também, os micro-organismos quimioautotróficos que são de modo geral categorizados como oxidantes de enxofre, oxidantes de hidrogênio, oxi- dantes de ferro, acetogênios, metanogênios, assim como um consórcio de micro-organismos —queincluem os quimioautotróficos.
Os diferentes quimioautotróficos que podem ser empregados na presente invenção podem ser nativos para uma faixa de meios ambientes incluindo, mas não limitados a, fontes : hidrotérmicas, fontes geotérmicas, fontes de calor, nascentes frias, aquíferos subterrâneos, lagos de sal, formações salinas, minas, drenagem ácida de mina, resíduos de minas, poços . 30 — de petróleo, água com resíduos de refinaria, camadas de carvão, a sub-superfície profunda, água com resíduos e estações de tratamento de esgoto, estações de energia geotérmica, campos de sulfatara, solos.
Eles podem ou podem não ser extremófilos incluindo, mas não limitados a termófilos, hipertermófilos, acidófilos, halófilos, e psicrófilos.
FIG 1 ilustra o diagrama geral de fluxo de processo para certas formas de realiza- —çãoda presente invenção que tem uma etapa do processo para a geração de doadores de elétrons adequados para suportar quimiossíntese a partir de uma entrada de energia e de entrada química inorgânica bruta; seguido por uma etapa de recuperação de produtos qui- micos a partir da geração do dador de elétrons; entrega de doadores de elétrons gerados juntamente com receptores de elétrons, água, nutrientes e CO, a partir de uma fonte de gás
- de combustão industrial pontual, em etapa de reação quimiossintética ou etapas que fazem uso de micro-organismos quimioautotróficos de capturar e fixar o dióxido de carbono, crian- do co-produtos químicos e de biomassa por meio de reações quimiossintéticos; seguido por etapas do processo para a recuperação de ambos produtos químicos e de biomassa a partir — dacorrente de processo, e reciclagem de nutrientes não utilizados e água de processo, bem " como a massa de células necessário para manter a cultura quimioautotróficos de volta para as etapas de reação quimiossintética.
Na concretização ilustrada na FIG. 1, o gás de com- 7 bustão contendo CO,» é capturado a partir de uma fonte pontual ou emissor.
Doadores de elétrons necessários para quimiossíntese podem ser gerados a partir de produtos químicos inorgânicos de entrada e de energia.
O gás de combustão é bombeado através de bioreato- res contendo quimioautótrofos juntamente com doadores de elétrons e receptores para con- duzir a quimiossíntese e um meio adequado para suportar uma cultura quimioautotróficos e fixação de carbono através de quimiossíntese.
A cultura de células pode fluir continuamente para dentro e fora dos biorreatores.
Após a cultura de células deixa os biorreatores a massa — celular é separada do meio líquido.
Massa celular necessária para a reconstituição da popu- lação de cultura de células em um nível funcional ou um ótimo é reciclada de volta para o bioreator.
Massa celular excedente pode ser seca para formar um produto de biomassa se- ca.
Na sequência da etapa de separação de células produtos químicos da reação quimios- sintética podem ser removido do fluxo de processo e recuperado.
Em seguida, quaisquer resíduos de produtos indesejáveis que podem estar presentes podem ser removidos.
Depois disso, na concretização ilustrada, o meio líquido e quaisquer nutrientes não utilizados são reciclados de volta para os biorreatores.
Muitos dos produtos químicos inorgânicos reduzi- dos sobre os quais quimioautótrofos crescem (por exemplo H>, HS, ferro ferroso, amônio, Mn2*) podem ser prontamente produzidos usando eletroquímica e/ou processos termoquimi- cos conhecidos na arte de engenharia química que podem, opcionalmente, ser alimentados por uma variedade de fontes de energia não-emissoras de dióxido de carbono ou de baixa emissão de carbono e/ou, renováveis incluindo energia eólica, hidrelétrica, nuclear, a ener-
- gia fotovoltaica, ou solar térmico.
Certas concretizações do presente invento utilizam fontes de energia não- z 30 emissoras de dióxido de carbono ou de baixa emissão de carbono e/ou, renováveis na pro- dução de doadores de elétrons incluindo mas não limitado a um ou mais das seguintes ca- racterísticas: energia fotovoltaica, energia solar, térmica do vento, hidrelétrica, nuclear, geo- térmica, geotérmica avançada, o poder do oceano térmica, dos oceanos a energia das on- das, das marés.
Em certas concretizações da presente invenção que recorre fontes de e- —nergianão-emissoras de dióxido de carbono ou de baixa emissão de carbono e/ou, renová- veis na produção de doadores de elétrons, quimioautótrofos funcionam como biocatalisado- res para a conversão de energia renovável em combustível de hidrocarboneto líquido, ou compostos orgânicos de alta densidade de energia Geralmente, com CO, capturado a partir de gases de combustão, ou a partir da atmosfera, ou oceano servindo como uma fonte de
: carbono. Estas formas de realização da presente invenção podem fornecer tecnologias de energia renovável com a capacidade de produzir um combustível de transporte tendo densi- ' dade de energia significativamente maior do que se as fontes de energia renováveis forem utilizadas para produzir o gás de hidrogênio - que deve ser armazenado em sistemas de armazenamento relativamente pesados (por exemplo, tanques ou materiais de armazena- " mento) -, ou se é utilizado para carregar as baterias que possuem uma densidade de ener- gia relativamente baixa. Adicionalmente, o produto de combustível líquido de hidrocarbone- Í tos de certas formas de realização da presente invenção pode ser mais compatível com a infraestrutura de transporte atual em relação a estas outras opções de armazenamento de energia. A capacidade de quimioautótrofos para utilizar fontes inorgânicas de energia quími- ca também permite a conversão do carbono inorgânico em combustíveis de hidrocarbonetos líquidos utilizando hidrocarbonetos de fontes não-mineralógicas de energia química, isto é, minerais inorgânicos reduzidos (tais como pirita, sulfureto de hidrogênio,), que representam uma grande reserva de energia geoquímica inexplorada. Portanto certas concretizações da presente invenção utilizam fontes mineralógicas de energia química, que são pré-tratadas antes das etapas de reação quimiossintéticos em uma forma de doador de elétrons e do método de entrega do doador de elétrons que é adequado ou ótimo para apoiar a fixação quemoautotrófica de carbono.
A posição da etapa do processo ou etapas para a geração de doadores de elétrons no fluxo do processo geral do presente invento é ilustrado na FIG. 1 pela caixa 2. Rotulado como "Geração de doador de elétrons". Doadores de elétrons produzidos na presente in- venção, utilizando eletroquímica e/ou processos termoquímicos conhecidos na arte de en- genharia química e/ou geradas a partir de fontes naturais, incluem, mas não estão limitados a, um ou mais dos seguintes: amoníaco; de amónio; monóxido de carbono; ditionito; enxofre elementar; hidrocarbonetos; hidrogênio; metabissulfitos, óxido nítrico, nitritos; sulfatos, tais como tiossulfatos, incluindo, mas não se limitam a tiossulfato de sódio ou tiossulfato de cál- cio; sulfuretos, tais como sulfureto de hidrogênio; sutfitos; tionato; tionito, metais de transição . ou os seus óxidos, sulfuretos, calcogenetos, haletos, hidróxidos, oxihidróxidos, sulfatos, car- bonatos ou, em fases solúveis ou sólidas, bem como de valência ou elétrons de condução - 30 em materiais de eléctrodos de estado sólido.
Certas modalidades da presente invenção usam o hidrogênio molecular como doa- dor de elétron. Hidrogênio doador de elétron pode ser gerado pelos métodos conhecidos na técnica de engenharia química e de processo incluindo, mas não limitados a uma ou mais dos que seguem: através da eletrólise da água incluindo, mas não limitados a métodos em- —pregandoas Membranas de Troca de Prótons (PEM), eletrólitos líquidos, tais como, KOH, eletrólise de alta pressão, eletrólise de alta temperatura de vapor (HTES); divisão termoqui- mica de água através dos métodos incluindo, mas não limitados ao ciclo de óxido de ferro, ciclo de óxido cério (IV) óxido de cério (III), ciclo de óxido de zinco, ciclo enxofre-iodo, ciclo cobre-cloro, ciclo cálcio-bromo-ferro, ciclo híbrido de enxofre; eletrólise de sulfeto de hidro-
' gênio; divisão termoquímica de sulfeto de hidrogênio; outros processos eletroquímicos ou termoquímicos conhecidos para produzir hidrogênio com poucas ou nenhuma das emissões a de dióxido de carbono incluindo, mas não limitados a: captura de carbono e reforma de me- tano de sequestro permitido; captura de carbono e gaseificação de carvão de sequestro permitido; o processo Kvaerner e outros processos gerando um produto de coque; captura e de carbono e gaseificação ou pirólise da biomassa de sequestro permitido; e a redução da meia célula de H* a H> acompanhada pela oxidação da meia célula das fontes de elétrons í incluindo, mas não limitados de ferro ferroso (Fe?”) oxidado a ferro férrico (Fe**) ou a oxida- ção de compostos de enxofre onde o ferro oxidado ou enxofre podem ser reciclados de volta aum estado reduzido através da reação química adicional com os minerais incluindo, mas não limitados a sulfetos de metal, sulfeto de hidrogênio, ou hidrocarbonetos.
Certas formas de realização da presente invenção utilizam energia eletroquímica armazenada em elétrons de valência ou de condução no estado sólido dentro de um elétro- do ou dispositivos de capacitores ou afins, isoladamente ou em combinação com os doado- resde elétrons químicos e/ou mediadores de elétrons para proporcionar aos quimioautótro- fos doadores de elétrons para as reações quimiossintéticas por meio de exposição direta de materiais de elétrodo ditas para o ambiente de cultura quimioautotróficos.
Certas concretizações do presente invento que utilizam energia eléctrica para a ge- ração de doadores de elétrons, recebem a energia elétrica a partir de fontes não-emissoras de dióxido de carbono ou de baixa emissão de carbono e/ou renováveis na produção de doadores de elétrons incluindo, mas não se limitam a um ou mais dos seguintes: a energia fotovoltaica, energia solar térmica, eólica, hidrelétrica, nuclear, geotérmica, o reforço da e- nergia geotérmica, energia térmica oceânica, energia das ondas do oceano, das marés.
Uma característica de certas formas de realização da presente invenção diz respei- toà produção, ou reciclagem de doadores de elétrons gerados a partir de origem mineraló- gica incluindo, mas não limitados a, doadores de elétrons gerados a partir de S reduzido e minerais contendo Fe. Por conseguinte, a presente invenção, em certas concretizações : permite o uso de uma fonte de energia inexplorada - energia geoquímica inorgânica. Exis- tem grandes depósitos de sulfetos que poderiam ser usados para este fim localizados em : 30 — todos os continentes e em especial nas regiões da África, Ásia, Austrália, Canadá, Europa Oriental, América do Sul e EUA. Fontes geológicas de Se Fe, tais como sulfureto de hidro- gênio e pirita, constituem um reservatório relativamente inerte e considerável de S e Fe nos ciclos respectivos naturais de enxofre e de ferro. Sulfuretos podem ser encontrados em ro- chas ígneas, bem como rochas sedimentares ou conglomerados. Em alguns casos sulfure- tos constituem a parte valiosa de um minério mineral, em outros casos, tais como com o carvão, óleo, metano, ou metais preciosos os sulfuretos são considerados impurezas. No caso dos combustíveis fósseis, tais como o regulamento Clean Air Act, requerem a remoção de impurezas de enxofre para evitar emissões de dióxido de enxofre. A utilização da energia geoquímica inorgânica facilitada por certas concretizações do presente invento parece ser
: em grande parte sem precedentes, e, portanto, a presente invenção representa uma nova tecnologia de energia alternativa. ' Os doadores de elétrons empregados na presente invenção podem ser refinados a partir das fontes naturais mineralógicas que incluem mas não estão limitadas a um ou mais dos que seguem: Feº elementar; siderita (FECO;); magnetita (FesO4); pirita ou marcassita : (FeS,), pirrotite (Fe.S (x=O to 0.2), pentlandita (Fe NikSs, violarita (NioFeS,), bravoíta (Ni,Fe)S,, arsenopirita (FeAsSS), ou outros sulfetos de ferro; realgar (ASS); orpimento (As2S;); ? cobaltito (CoAsSS); rodocrosita (MNCO;); calcopirita (CuFeS>z), bornita (CusFeS+), covelita (CuS), tetraedrita (CusSb2S;), enargita (CUsAsSS,), tennantita (Cus2AS4.S13), calcocita (CuzS), ou outros sulfetos de cobre; esfalerita (ZnS), marmatita (ZnS), ou outros sulfetos de Zinco; galena (PbS), geocronita (Pbs(Sb,As2)Ss), ou outros sulfetos de chumbo; argentita ou acanti- ta (Ag2S); molibdenita (MoS,); milerita (NiS), polidimita (Ni3S4) ou outros sulfetos de níquel; antimonita (Sb2S;); Ga2S;; CuSe; cooperita (PtS); laurita (RuS,); braggita (Pt, Pd, Ni)S; FeCl2.
A geração de doador de elétrons a partir de fontes naturais mineralógicas inclui uma etapa de pré-processamento em certas concretizações do presente invento, que po- dem incluir, mas não está limitado, a trituração, trituração ou moagem do minério mineral para aumentar a área de superfície para a lixiviação com equipamento tal como um moinho de bolas e molhar o minério mineral para fazer uma suspensão. Nestas formas de realização da presente invenção em que os doadores de elétrons são gerados a partir de fontes mine- rais naturais, pode ser vantajoso se o tamanho das partículas é controlado de modo que o sulfureto e / ou outros agentes redutores presentes no minério podem ser concentrados por métodos conhecidos na arte incluindo, mas não se limitam a: métodos de flotação, tais como flotação de ar dissolvido ou flutuação em espuma utilizando colunas de flotação ou células de flotação mecânicos, separação por gravidade; separação magnética; separação suporte — pesado; aglomeração seletiva; separação de água; ou destilação fraccionada. Após a pro- dução de minério triturado ou suspensão, o material particulado no lixiviado ou concentrado pode ser separado por filtragem (por exemplo, filtragem a vácuo), estabelecendo-se, ou ou- . tras técnicas bem conhecidas de separação sólido/líquido, antes de introduzir a solução con- tendo doador de elétrons para meio de cultura quimioautotróficos. Além disso, qualquer coi- : 30 —satóxica para o quimicautótrofos que é lixiviado a partir do minério mineral pode ser removi- do antes de expor os quimioautótrofos ao lixiviado. O sólido restante após o processamento do minério mineral pode ser concentrada com um filtro prensa, eliminados, retido para pro- cessamento adicional, ou vendidos dependendo do minério mineral utilizado na forma de realização particular da invenção.
Os doadores de elétrons na presente invenção podem também ser refinados a par- tir dos poluentes ou produtos dos resíduos incluindo, mas não estão limitados a um ou mais dos que seguem: gás de processo; gás residual; gás de escape de recuperação melhorada de óleo; biogás; drenagem ácida de mina; lixiviado de aterro sanitário; gás de aterro sanitá- rio; gás geotérmico; lama geotérmica ou salmoura; contaminantes metálicos; ganga; resi-
f duos; sulfetos; dissulfetos; mercaptanos incluindo, mas não limitados a metil e dimetil mer- captano, etil mercaptano; sulfeto de carbonila; dissulfeto de carbono; alcanossulfonatos; 7 sulfetos de dialquila; tiossulfato; tiofuranos; tiocianatos; isotiocianatos; tiouréias; tióis; tiofe- nóis; tioéteres; tiofeno; dibenzotiofeno; tetrationato; ditionito; tionato; dissulfetos de dialquila; —sulfonas; sulfóxidos; sulfolanos; ácido sulfônico; dimetilsulfoniopropionato; ésteres sulfôni- E cos; sulfeto de hidrogênio; ésteres de sulfato; enxofre orgânico; dióxido de enxofre e todos os outros gases ácidos.
Para além das fontes mineralógicas, doadores de elétrons são produzidos ou reci- clados em certas concretizações do presente invento por meio de reações químicas com hidrocarbonetos que podem ser de origem fóssil, mas que são utilizados em reações quími- cas que produzem emissões baixas ou nulas de gás de dióxido de carbono.
Estas reações incluem processos termoquímicos e eletroquímicos.
Tais reações químicas que são usadas em tais formas de realização da presente invenção incluem, mas não estão limitadas a: a reação de redução termoquímica de sulfato ou TSR e a reação Muller-Kuhne; reações de reforma de metano do tipo que utilizam óxidos de metal em vez de água tais como, mas não se limitam a óxido de ferro, óxido de cálcio, ou de óxido de magnésio através do qual o hi- drocarboneto é feito reagir para formar carbonato sólido com pouca ou nenhuma emissão de gás de dióxido de carbono, juntamente com hidrogênio produto doador de elétrons.
AA fórmula de reação para TSR é CaSO, + CH, — CaCO3 + H2O + H2S.
Neste caso, o produto doador de elétrons que pode ser usado por micro-organismos quimioautotróficos para a fixação de CO, é de sulfureto de hidrogênio (HS) ou o H2S pode por reagir adicio- nalmente eletroquimicamente ou termoquimicamente para produzir HS doador de elétrons usando processos conhecidos na arte de engenharia química.
O produto de carbonato de sólido (CaCO;), também formado na TSR pode ser facilmente isolado e aplicado a um nú- —merode diferentes aplicações, resultando em essencialmente nenhuma liberação de dióxido de carbono para a atmosfera.
Há reações semelhantes a redução de sulfato a sulfeto que envolvem hidrocarbonetos de cadeia mais longa, incluindo alcanos de cadeia curta e longa e : alifáticos complexos e compostos aromáticos [Changtao Yue, Shuyuan Li, Kangle Ding, Ningning Zhong, Termodinâmica e cinética de reações entre hidrocarbonetos C,-C; e sulfato .: 30 —decálcioem reservatórios de carbonato de profundidade, Geochem.
Jour., 2006, 87-94]. A fórmula reacional Muller-Kuhne é 2C + 4CaSO, — 2CaO + + 2CaCO; + 48O;. O SO, produzido pode ser ainda reagido com S e uma base, incluindo mas não limitado a cal, óxido de magnésio, óxido de ferro, ou algum outro óxido de metal para produzir um doador de elétrons, tais como tiossulfato (803%) utilizável por quimioautótrofos.
Em certas concreti- — zações,abase utilizada na reação para formar (8:07) é produzida a partir de uma fonte de emissão livre de dióxido de carbono, como fontes naturais de minerais básicos, incluindo mas não limitado a óxido de cálcio, óxido de magnésio, olivina contendo um óxido de metal, serpentina contendo um óxido de metal, os depósitos ultramáficos contendo óxidos de me- tais, e aquíferos salinos subterrâneos básicos.
Para formas de realização da presente inven-
' ção utilizando variações da TSR ou Muller-Kuhne, as fontes de hidrocarbonetos podem ser utilizados, que têm pouco ou nenhum valor económico atual, tal como areia de alcatrão ou óleo de xisto.
Exemplos de reações entre óxidos metálicos e os hidrocarbonetos para produzir um produto de hidrogênio doador de elétrons e carbonatos incluem, mas não estão limitados a 7 2CH, + FezO; + 3H,0 -> 2FeCO; + 7H, ou CH, + CaO + 2H,0 -> CaCO; + 4H2. Uma vez que as reações como a TSR são exotérmicas, para formas de realização : da presente invenção que utilizam a TSR para geração de doadores de elétrons, a energia de calor liberada pelo TSR pode ser recuperada usando métodos de troca de calor conheci- dosna arteda engenharia de processo, para melhorar a eficiência global do processo.
Uma forma de realização da invenção utiliza calor liberado pela TSR como uma fonte de calor para manter a temperatura adequada do biorreator ou a secagem da biomassa.
Em certas modalidades, os doadores de elétrons gerados são oxidados na etapa de reação quimiossintética ou etapas por meio dos receptores de elétrons que incluem, mas não estão limitados a, um ou mais dos que seguem: dióxido de carbono, ferro férrico ou ou- tros íons de metal de transição, nitratos, nitritos, oxigênio, sulfatos, ou orifícios nos materiais de eletródos em estado sólido.
A posição da etapa de reação quimiossintética ou etapas no fluxo geral do processo do presente invento é ilustrada na FIG. 1 por caixa 3. Rotulado "biorreator Chemoautotroph". Em cada etapa do processo onde as reações quimiossintéticas ocorrem um ou mais tipos de doador de elétrons e um ou mais tipos de receptor de elétrons podem ser bombeados ou de outro modo adicionados ao vaso de reação quer como uma adição de bolus, ou periodicamente, ou continuamente para o meio nutriente contendo organismos quimioautotróficos.
A reação quimiossintética impulsionada pela transferência de elétrons de — doador de elétrons para receptor de elétron fixa dióxido de carbono inorgânico em compos- tos orgânicos e biomassa.
Em certas concretizações da presente invenção mediadores de elétrons podem ser : incluído no meio nutriente para facilitar a entrega de equivalentes de redutores de doadores de elétrons para os organismos quimioautotróficos na presença de receptores de elétrons e s 30 — de carbono inorgânico, a fim de melhorar cineticamente a etapa de reação quimiossintética.
Este aspecto da presente invenção é particularmente aplicável a formas de realização da presente invenção utilizando doadores de elétrons pouco solúveis, tais como mas não limi- tado a gás H, ou elétrons em materiais de eléctrodos de estado sólido.
A entrega de equiva- lentes redutores de doadores de elétrons para os organismos quimioautotróficos para a rea- ção de quimiossintética ou reações podem ser cineticamente e / ou termodinamicamente reforçada na presente invenção através de meios incluindo, mas não se limitando a: a intro- dução de materiais de armazenamento de hidrogênio em meio de cultura que quimioautotró- ficos pode dobrar como um meio de suporte sólido para o crescimento microbiano - trazendo absorvida ou adsorvida doadores de elétrons de hidrogênio em proximidade estreita com o
7 hidrogênio-oxidante quimioautótrofos, a introdução de mediadores de elétrons conhecidos na arte tais como, mas não se limitam a citocromos, formato, metil-viologen, NAD + / NADH, 7 vermelho neutro (NR), e quinonas em meio de cultura quimioautotróficos, a introdução de materiais de eletrodo que pode funcionar como um meio suporte de crescimento sólido dire- tamente no meio de cultura de quimioautotróficos - trazendo elétrons de estado sólido em a estreita proximidade com os micróbios.
O caldo de cultura utilizado nas etapas quimiossintéticos de certas formas de reali- ? zação da presente invenção pode ser uma solução aquosa contendo minerais adequados, sais, vitaminas, cofatores, tampões, e outros componentes necessários para o crescimento —microbiano, conhecidos dos peritos na arte [Bailey e Ollis, Fundamentos de Engenharia Bio- química, 2º Ed; pp 383-384 e 620-622; McGraw-Hill: Nova York (1986)]. Estes nutrientes podem ser escolhidos para facilitar ou maximizar o crescimento quimioautotróficos e promo- ver as vias quimiossintéticas enzimáticas.
Ambientes de crescimento alternativos, tais como utilizados nas artes de estado sólido ou não-aquosa de fermentação, podem ser utilizados em certas concretizações.
Em certas concretizações que utilizam um caldo de cultura aquo- so, água salgada, água do mar, ou outras fontes não-potáveis de água são usados quando tolerado pelos organismos quimioautotróficos.
As vias quimiossintéticas podem ser controladas e otimizadas em certas concreti- zações do presente invento para a produção de produtos químicos e/ou biomassa através da manutenção das condições de crescimento específico (por exemplo, os níveis de azoto, oxigênio, fósforo, enxofre, micronutrientes vestigiais, tais como os íons inorgânicos, e se presentes, quaisquer moléculas reguladoras que podem não ser geralmente consideradas uma fonte de nutrientes ou de energia). Dependendo da forma de realização da invenção, o caldo pode ser mantido em condições aeróbias, microaeróbias anóxicas, anaeróbicas, ou facultativas, dependendo das exigências dos organismos quimioautotróficos e os produtos desejados a serem criados pelo processo quimiossintética.
Um ambiente facultativo é consi- derado ser um tendo camadas superiores aeróbicas e camadas inferiores anaeróbicas cau- . sadas por estratificação da coluna de água.
A fonte de carbono inorgânico utilizada nas etapas de processo de reação quimios- - 30 sintética de certas formas de realização da presente invenção inclui, mas não está limitado a um ou mais dos seguintes: uma corrente de gás contendo dióxido de carbono que pode ser puro ou uma mistura; CO, liquefeito; gelo seco, dióxido de carbono dissolvido, íons carbona- to, ou íons bicarbonato em soluções, incluindo soluções aquosas, tais como água do mar; carbono inorgânico em uma forma sólida tal como um carbonato ou bicarbonato de minerais.
O dióxidode carbono e/ou outras formas de carbono inorgânico podem ser introduzidos no meio nutriente contido em vasos de reação, quer como um bolus ou adição periódica ou continuamente com as etapas do processo onde quimiossíntese ocorre.
Em certas concreti- zações do presente invento, gases de combustão contendo dióxido de carbono são captura- dos a partir da chaminé à temperatura, pressão e composição do gás característica dos ga-
ses de escape não tratado, e dirigido com modificações mínimas para dentro do vaso de reação (s) onde quimiossíntese ocorre.
Particularmente para formas de realização onde as . impurezas prejudiciais para os organismos quimioautotróficos não estão presentes no gás de combustão, a modificação do gás de combustão, ao entrar os vasos de reação, pode ser — substancialmente limitada à compressão necessária para bombear o gás através do sistema r do reator e de permuta de calor necessária para reduzir a temperatura do gás para uma a- dequada para os micro-organismos. : Gases além de dióxido de carbono estão dissolvidos no caldo de cultura de certas formas de realização da presente invenção podem incluir doadores de elétrons gasosos em certas concretizações, tais como mas não limitado a hidrogênio, monóxido de carbono, sul- fureto de hidrogênio ou outros gases ácidos, e para certas formas de realização da presente invenção aeróbias, oxigênio receptor de elétrons, geralmente a partir de ar (por exemplo, oxigênio 20,9%). A dissolução destes e outros gases em solução pode ser conseguida u- sando um sistema de compressores, medidores de fluxo, e válvulas de fluxo conhecidos para um dos peritos na arte de biorreator de cultura microbiana em escala, que alimentam um ou mais dos seguintes sistemas amplamente utilizados para bombeamento de gás em solução: equipamentos de aspersão; difusores, incluindo mas não limitado a cúpula, tubular, disco ou geometrias de rosca; aeradores de bolhas grossas ou finas, equipamentos de ven- turi.
Em certas concretizações presente invenção a aeração de superfície pode também ser realizada usando pás de aeração e semelhantes.
Em certas concretizações da presente invenção a dissolução gás é aumentada por mistura mecânica com um impulsor de turbina ou, bem como dispositivos hidráulicos de cisalhamento para reduzir o tamanho da bolha.
Após a passagem através do sistema do reator, segurando micro-organismos quimioautotró- ficos que capturam o dióxido de carbono, o gás de combustão limpo, que é geralmente composto principalmente de gases inertes tais como azoto, pode ser liberado para a atmos- fera.
Em certas concretizações da presente invenção utilizando o hidrogênio como doa- : dor de elétrons, o gás de hidrogênio é alimentado para o biorreator quimioautotrófico quer fazendo borbulhar através do meio de cultura, ou por difusão através de uma membrana que % 30 — circunda o meio de cultura.
O último método pode ser mais seguro, em certos casos, uma vez que o hidrogênio acumulando-se na fase gasosa pode, potencialmente, criar condições de explosão (o intervalo de concentrações de hidrogênio explosivas no ar é de 4 a 74,5% e pode ser evitada em certas concretizações do presente invento). Em certas formas de realização aeróbias da presente invenção que requerem a — bombeamento de ar ou de oxigênio no caldo de cultura, a fim de manter os níveis de oxige- nados, bolhas de oxigênio são injetadas no caldo de um diâmetro adequado ou ótimo para a mistura e transferência de oxigênio.
Em uma forma de realização exemplar, o diâmetro mé- dio das bolhas de oxigênio é selecionado para ser cerca de 2 mm, que tem sido encontrado para ser ótima em certos casos [Ambiente Research Journal Maio / Junho 1999 pgs. 307-
: 315]. Em certas formas de realização aeróbias da presente invenção um processo de cisa- lhamento das bolhas de oxigênio é utilizado para atingir este diâmetro de bolha, tal como Y descrito na Patente dos EUA. No. 7.332.077. Em certas concretizações, o tamanho da bolha é controlado para produzir valores de um diâmetro não maior do que 7,5 milímetros média sem substancial “slugging”.
: Produtos químicos adicionais para facilitar a manutenção e crescimento quimioauto- tróficos como são conhecidos na arte podem ser adicionados ao caldo de cultura de certas | formas de realização da presente invenção. As concentrações de produtos químicos de nu- trientes, e particularmente os doadores de elétrons e receptores, podem ser mantida tão próximo quanto possível aos seus respectivos níveis ótimos para o crescimento quimioauto- trófico máximo e/ou absorção de carbono e de fixação e/ou produção de compostos orgâni- cos, que varia dependendo das espécies quimioautotróficas utilizada mas é conhecido ou determinável sem experimentação indevida para um dos peritos na arte da cultura de quimi- oautótrofos.
Juntamente com os níveis de nutrientes, os níveis de produtos residuais, pH, tem- peratura, salinidade, oxigênio dissolvido e dióxido de carbono, gás e as taxas de fluxo de líquido, velocidade de agitação, e a pressão no ambiente de cultura quimioautotróficos po- dem também serem controlados em certas concretizações do presente invento. Os parâme- tros de funcionamento que afetam o crescimento quimioautotrófico podem ser monitorados com sensores (por exemplo, sonda de oxigênio dissolvido ou sonda de oxidação-redução para medir concentrações doador/receptor elétrons, ), e controlado manualmente ou automa- ticamente, com base na realimentação a partir de sensores através da utilização de equipa- mento, incluindo, mas não limitada a válvulas de acionamento, bombas e agitadores. A tem- peratura do caldo de entrada, bem como gases de entrada, pode ser regulada por opera- ções unitárias, tais como mas não limitado a trocadores de calor.
A agitação do caldo de cultura em certas formas de realização da presente inven- ção pode ser fornecida para a mistura e pode ser realizada por equipamento, incluindo mas . não limitado a: a recirculação do caldo a partir do fundo do recipiente para o topo através de uma conduta de recirculação; aspersão com dióxido de carbono mais, em certas concretiza- ções, gás doador de elétrons (por exemplo, Hz ou HS), e para certas formas de realização da presente invenção aeróbias oxigênio ou de ar, bem como, num misturador mecânico, tal como, mas não se limitam a um impulsor (100-1000 rpm) ou turbina. Em certas concretizações, o micro-organismo quimioautotróficos contendo meio nu- triente é removido dos reatores quimiossintéticos parcialmente ou completamente, periódica —ou continuamente, e é substituído com meio fresco isento de células para manter a cultura de células em fase exponencial de crescimento e/ou repor os nutrientes empobrecidos em o meio de crescimento e/ou remover os resíduos inibidores. A produção de produtos químicos úteis através da etapa ou etapas de reação qui- miossintética que reagem doadores e receptores de elétrons para fixar o dióxido de carbono
: é uma característica de certas formas de realização da presente invenção.
Estes produtos químicos úteis, tanto orgânicos e inorgânicos, podem incluir, mas não estão limitados a um 1 ou mais dos seguintes: ácido acético, outros ácidos orgânicos e sais de ácidos orgânicos, etanol, butanol, metano, hidrogênio, hidrocarbonetos, ácido sulfúrico, sulfato sais, enxofre elementar, sulfuretos, nitratos, ferro férrico e outros íons metálicos de transição, outros sais, ácidos ou bases.
Otimizar a produção de um produto químico desejado de quimiossíntese pode ser conseguida em certas concretizações do presente invento através do controle dos ) parâmetros no ambiente de cultura quimioautotróficos incluindo, mas não se limitam a: ní- veis de nutrientes, os níveis de resíduos, pH, temperatura, salinidade, oxigênio dissolvido e dióxido de carbono do gás, e as taxas de fluxo de líquido, a taxa de agitação, e a pressão A alta taxa de crescimento de certas espécies quimioautotróficas lhes permite igua- lar ou mesmo superar as mais altas taxas de fixação de carbono e produção de biomassa por unidade de biomassa atingível por micróbios fotossintéticos.
Por conseguinte, a produ- ção de biomassa excedente é uma característica de certas formas de realização da presente invenção.
Crescimento excedente de massa de células pode ser removido do sistema para produzir um produto de biomassa, de modo a manter uma ótima população microbiana e densidade celular na cultura quimioautotrófica para taxas continuamente elevadas de captu- ra e de fixação de carbono.
Outra característica de certas formas de realização da presente invenção é os reci- pientes usados para conter o ambiente de reação quimiossintética na captura de carbono e processo de fixação.
Os tipos de recipientes de cultura que podem ser usados na presente invenção para a cultura e crescimento das bactérias quimioautotróficos para a captura de dióxido de carbono e fixação são geralmente conhecidos na arte da cultura microbiana em grande escala.
Estes recipientes de cultura, que podem ser de origem natural ou artificial, incluem, mas não estão limitados a: reatores de transporte aéreo; colunas de purificação biológicas; bioreatores; colunas de bolhas; grutas; cavernas; cisternas; reatores de tanque agitado contínuos; contracorrente fluxo ascendente, reatores de leito expandido ; digestores : e em sistemas de digestor específicos, tais como conhecido nas artes anteriores de esgoto e tratamento de águas residuais ou biorremediação; filtros, incluindo, mas não se limitam a z 30 filtros de gotejamento, filtros giradores biológico contator, discos rotativos, filtros do solo; reatores de leito fluidizados; fermentadores de “gas /iff', reatores de células imobilizadas; lagoas; reatores de membrana biofilme; eixos de mina; tanques Pachuca; reatores de leito compacto; reatores tubulares; lagoas; piscinas; pedreiras; reservatórios; misturadores estáti- cos e tanques; torres; reatores de leito de gotejamento (trickel-bed); cubas; poços - com o — fundo do recipiente, paredes, muros, forro, ou superior construído a partir de um ou mais materiais, incluindo mas não limitado a betume, cimento, cerâmica, argila, concreto, epóxi, fibra de vidro, vidro, macadame, plásticos, areia, selante, o solo, os aços ou outros metais e suas ligas, pedra, alcatrão, madeira, e qualquer combinação destes.
Em formas de realização da presente invenção em que os micro-organismos quimi-
. oautotróficos ou exigem um ambiente de crescimento corrosivos e/ou produzem produtos químicos corrosivos através do metabolismo de quimiossintéticos de materiais resistentes à 7 corrosão pode ser utilizado para revestir o interior do recipiente contatando o meio de cres- cimento. Certas concretizações da presente invenção irão minimizar os custos de material, . usando geometrias dos vasos quimiossintéticos possuindo uma relação de área superficial para volume baixa, tais como, mas não se limitando a, formas substancialmente cúbicas ' cilíndricas com razão de aspecto média, substancialmente elipsoidais ou “em forma de ovo”, substancialmente formas hemisféricas, ou substancialmente esférica, a menos que os cus- tosde material são substituídas por outras considerações de design (por exemplo, tamanho da pegada de terra). A capacidade de usar geometrias de reator compactas é permitida pela ausência de um requisito de luz para as reações quimiossintéticas, em contraste com as tecnologias fotossintéticas onde a relação de área de superfície para volume deve ser gran- de para proporcionar a exposição à luz suficiente.
A falta de dependência de luz dos quimioautótrofos também pode permitir que de- senhos de plantas com uma pegada muito menor do que as abordagens permitidas pelos fotossintéticos. Em situações em que a pegada da planta precisa de ser minimizada, devido à disponibilidade de terras restrita, certas formas de realização da presente invenção podem utilizar um sistema de biorreator de eixo vertical longo para o crescimento de quimioautotró- ficose captura de carbono. Um biorreator do tipo eixo longo vertical é descrito na Patente dos EUA. N º s 4.279.754, 5.645.726, 5.650.070, e 7.332.077.
A menos que substituída por outras considerações, certas formas de realização da presente invenção podem vantajosamente minimizar as superfícies dos vasos através das quais as perdas elevadas de água, nutrientes, e / ou calor podem ocorrer, ou que potencial- —mente permitia introdução de predadores invasivos para dentro do reator. A capacidade de minimizar tais superfícies, em certas concretizações, é permitida pela falta de requisitos de luz para quimiossíntese.
. Em certas concretizações da presente invenção, os micro-organismos quimioauto- i tróficos são imobilizados no seu ambiente de crescimento. Isto pode ser conseguido usando . 30 — quaisquer meios adequados conhecidos na arte da cultura microbiana para suportar a colo- nização por micro-organismos quimioautotróficos incluindo mas não limitado a crescer à quimioautótrofos numa matriz, de malha, ou membrana feita a partir de qualquer uma dentre uma vasta gama de materiais naturais e sintéticos e polímeros, incluindo mas não limitado a um ou mais dos seguintes: lã de vidro, argila, concreto, fibra de madeira, óxidos inorgânicos, tais como ZrO>, Sb;Os, ou ALO;, o polímero orgânico de polissulfona, ou de poros abertos de espuma de poliuretano tendo área de superfície específica elevada . Os micro- organismos quimioautotróficos na presente invenção podem também ser cultivados nas su- perfícies de objetos acoplados distribuídos por todo o recipiente de crescimento como são conhecidos na arte da cultura microbiana que incluem, mas não estão limitados a um ou
' mais dos seguintes: grânulos; areia; silicatos; sepiolite; de vidro, cerâmica, discos de plástico de pequeno diâmetro, esferas, tubos, partículas, ou outras formas conhecidas na arte; casca í de coco ralado; chão espigas de milho; carvão ativado; carvão granulado; coral esmagado; bolas de esponja; mídia pedaços suspensos; de borracha de pequeno diâmetro tubagem de polietileno (elastomérico); pendurado cordas de tecido poroso, selas Berl, Raschig anéis. q A inoculação da cultura de quimioautotróficos para dentro do vaso de cultura, em certas concretizações, pode ser realizada por métodos, incluindo, mas não se limitam a " transferência de uma cultura existente de quimioautotróficos habitando outro sistema de captura e fixação de carbono da presente invenção, ou de incubação a partir de estoque inicial criado em uma incubadora. O estoque inicial de cepas quimioautotróficas, em certas concretizações, pode ser transportado e armazenado em formas, incluindo mas não limitado a um pó, líquido, congelados, ou forma liofilizada, bem como qualquer outra forma adequa- da, a qual pode ser facilmente reconhecida por um perito na arte. Ao estabelecer uma cultu- ra em um reator muito grande, pode ser vantajoso em certos casos, para crescer e estabe- lecer culturas em recipientes progressivamente maiores em escala intermédia antes da ino- culação do vaso em escala completa.
A posição da etapa do processo ou etapas para a separação de massa de células a partir da corrente de processo no fluxo do processo geral da forma de realização da presen- te invenção ilustrada na FIG. 1 é mostrado pela caixa 4. Rotulado como "Separação Celu- lar”.
Separação de massa de células a partir de suspensão líquida em certas concretiza- ções do presente invento pode ser realizada por métodos conhecidos na arte da cultura mi- crobiana [Exemplos de técnicas de células de colheita de massa são dadas em Pedido de Patente Internacional No. WO08/00558, publicado 08 de janeiro, 1998; Patente dos EUA.
No. 5.807.722; Patente dos EUA. No. 5.593.886 e Patente dos EUA. No. 5.821.111.], Inclu- indo mas não limitado a um ou mais dos seguintes: centrifugação; floculação; flotação; filtra- ção usando uma membrana, fibra oca, espiral ferida (spiral qound), ou sistema de filtro de . cerâmica; filtração sob vácuo; filtração de fluxo tangencial; clarificação; sedimentação; hidro- | ciclone. Em formas de realização em que a massa de células é imobilizada numa matriz, . 30 — pode ser colhido por métodos, incluindo, mas não se limitam a sedimentação por gravidade ou filtração, e separado do substrato de crescimento por forças de cisalhamento líquidas.
Em certas concretizações do presente invento, se um excesso de massa celular foi removida a partir da cultura, é reciclado de volta para a cultura de células, tal como indicado pela seta processo denominado "Massa celular reciclado" na FIG 1. Juntamente com caldo fresco tal que biomassa suficiente é retida na etapa ou etapas de reação quimiossintética para a remoção continua de carbono inorgânico e o crescimento ou a taxa metabólica óti- mos. A massa celular recuperada pelo sistema de colheita pode ser reciclada de volta para o vaso de cultura, utilizando, por exemplo, uma bomba de compressão de ar ou gêiser. Em certas concretizações, a massa celular reciclada de volta para o vaso de cultura não tenha
' sido exposto a agentes de floculação, a menos que estes agentes não são tóxicos para as quimioautótrofos.
Í Em certas concretizações da presente invenção o sistema é mantido quimioautotró- fico, utilizando fluxo contínuo e remoção do meio nutriente e/ou biomassa, em estado subs- — tancialmente constante em que a população de células e os parâmetros ambientais (por , exemplo, densidade de células, as concentrações químicas) são dirigidos a um nível subs- tancialmente adequado, ou ótimo constante ao longo do tempo.
Densidades celulares po- t dem ser monitoradas em certas concretizações do presente invento quer por amostragem direta, através de uma correlação de densidade ótica a densidade de células, ou com um analisador de tamanho de partícula.
Os tempos de retenção hidráulica e de biomassa po- dem ser dissociados, de modo a permitir um controle independente de ambos o caldo quími- co e da densidade celular em certas concretizações.
Taxas de diluição podem ser mantidas suficientemente elevadas de modo que o tempo de retenção hidráulica é relativamente baixo em comparação com o tempo de retenção de biomassa, resultando em um caldo altamente —reabastecido para o crescimento celular.
Taxas de diluição podem ser fixadas a um nível adequado ou ótimo de troca entre reposição caldo de cultura, e aumento dos custos do pro- cesso de bombeamento, entradas acrescidas, e outras demandas que surgem com taxas de diluição.
Para ajudar no processamento do produto da biomassa em biocombustíveis ou ou- tros produtos úteis, as células microbianas excedentes em certas concretizações da inven- ção são rompidas após a etapa de separação da célula usando métodos, incluindo, mas não se limitam a moagem, a pressão de cavitação, sonicação, ou cisalhamento mecânico.
A biomassa colhida em certas concretizações do presente invento é seca na etapa ou etapas de processo de caixa 7. Rotulado "secador" no fluxo do processo geral ilustrado narFiG1. Secagem da biomassa excedente pode ser realizada em certas concretizações do presente invento que utilizam tecnologias incluindo mas não limitado a centrifugação, tambor : de secagem, evaporação, liofilização, aquecimento, secagem por pulverização, secagem por vácuo, filtração sob vácuo.
Resíduos de calor a partir da fonte industrial de gás de combus- s 30 tão podem ser utilizados na secagem da biomassa em certas concretizações.
Além disso, a oxidação quimiossintética de doadores de elétrons é exotérmica e, geralmente, produz calor.
Em certas concretizações do presente invenção calor residual pode ser utilizado na seca- gem da biomassa.
Em certas concretizações da invenção, a biomassa é ainda processada após a se- —cagem para ajudar a produção de biocombustíveis ou de outros produtos químicos úteis por meio da separação do teor de lipídios ou de outros produtos bioquímicos alvo a partir da biomassa quimioautotróficos.
A separação dos lipídios pode ser realizada por utilização de solventes não polares para extrair os lipídios, tais como, mas não se limitam a, hexano, ci- clohexano, éter etílico, álcool (isopropanol, etanol, tec.), fosfato de tributila, dióxido de car-
. bono supercrítico, óxido de trioctilfosfina , aminas secundárias e terciárias, ou propano. Ou- tros compostos bioquímicos úteis podem ser extraídas em certas concretizações que utili- : zam solventes, incluindo mas não se limitam a: clorofórmio, acetona, acetato de etilo, tetra- cloroetileno O caldo residual após à remoção da massa celular pode ser bombeada para um ç sistema para a remoção dos produtos da quimiossíntese e/ou nutrientes esgotados que po- dem ser reciclados ou recuperados na medida do possível, ou então eliminado. A posição ' da etapa ou etapas do processo para a recuperação de produtos químicos a partir da cor- rente de processo no fluxo do processo geral da forma de realização da presente invenção ilustrada na FIG. 1 é indicado pela caixa 6. Rotulado como "Separação de produtos quimi- cos".
Recuperação e/ou a reciclagem de produtos químicos quimiossintéticos e/ou nutri- entes esgotados a partir da solução de caldo aquoso pode ser realizado em certas concreti- zações do presente invento, utilizando equipamento e técnicas conhecidas na arte da enge- —nhariade processo, e direcionado para os produtos químicos de concretizações particulares da presente invenção, incluindo, mas não se limitam a: extração com solvente, à extração de água; destilação; destilação fraccionada; cimentação; precipitação química; absorção por solução alcalina; absorção ou adsorção com carvão ativado, resina de permuta iónica ou de peneira molecular; modificação do pH da solução e/ou potencial de oxidação-redução, eva- poradores, cristalizadores fraccionados, os separadores sólido/líquido, nanofiltração, e todas as suas combinações.
Após a recuperação de produtos úteis ou valiosos a partir da corrente de processo, de acordo com certas formas de realização, a remoção dos resíduos de produtos pode ser realizada como indicado pela caixa 8. Rotulado como "remoção de resíduos" na FIG. 1. O caldo restante pode ser devolvido ao vaso de cultura, juntamente com a água de substitui- ção e nutrientes, se desejado [ver a seta processo rotulado "reciclado nutrientes + HO" na fig. 11.
. Em formas de realização da presente invenção envolvendo a oxidação quimioauto- trófica de doadores de elétrons extraídos a partir do minério mineral, irá, em certa concreti- v 30 — zações restar uma solução de cátions de metal oxidado na sequência das etapas de reação quimiossintéticos. Uma solução rica em cátions metálicos dissolvidos também pode resultar de uma entrada de gases de combustão, particularmente suja para o processo, tais como a partir de uma planta a carvão. Em algumas destas formas de realização da presente inven- ção, o fluxo de processo pode ser removido de cátions de metal por métodos incluindo, mas —nãoselimitam a: cimentação em sucata de ferro, lã de aço, cobre ou zinco em pó; precipita- ção química como um sulfureto ou hidróxido de precipitado; eletroextração para placa de um metal específico; absorção em carvão ativado ou uma resina de permuta iónica, a modifica- ção do pH da solução e/ou potencial de oxidação-redução, extração com solvente. Em cer- tas concretizações da presente invenção os metais recuperados podem ser vendidos por um fluxo adicional de receita. Os produtos químicos que são utilizados nos processos para a recuperação de produtos químicos, a reciclagem de nutrientes e água, e a remoção de resí- duos, podem vantajosamente serem selecionados, em certas concretizações, para ter baixa toxicidade para seres humanos, e, se forem expostos para o fluxo de processo que é reci- —cladode volta para o recipiente de crescimento, baixa toxicidade para o quimioautótrofos a ser utilizado.
Em certas concretizações da presente invenção, não existe um co-produto ácido da quimiossíntese. Neutralização de ácido no caldo pode ser realizada em certas concretiza- ções pela adição de bases, incluindo mas não se limitam a: calcário, cal, hidróxido de sódio, amónia, potassa cáustica, óxido de magnésio, óxido de ferro. Em certas concretizações, a base pode ser produzida a partir de uma fonte livre de emissões de dióxido de carbono tais como minerais de ocorrência natural básicas, incluindo mas não limitado a óxido de cálcio, óxido de magnésio, óxido de ferro, minérios de ferro, olivina contendo um óxido de metal, serpentina contendo um metal óxido, os depósitos ultramáficos que contêm óxidos metáli- cos,e subterrâneos básicos aquíferos salinos.
Além do dióxido de carbono capturado por meio da fixação quimiossintética de car- bono, dióxido de carbono adicional pode ser capturado e convertido em carbonatos ou bio- minerais através da ação catalítica de micro-organismos quimioautotróficos em certas con- cretizações do presente invento. Para formas de realização da invenção que aumentam o carbono capturado por meio de quimiossíntese sequestro de carbono biocatalisada por mi- neral, a utilização de micro-organismos quimioautotróficos capazes de resistir a uma solução de pH elevado, onde o dióxido de carbono é termodinamicamente favorecido para precipitar como carbonato pode ser vantajoso em certos casos. Qualquer carbonato ou precipitado biomineral produzido pode ser removido periodicamente ou continuamente a partir do siste- ma utilizando, por exemplo, técnicas de separação sólido/líquido conhecidas na arte da en- genharia de processo.
Uma característica adicional de certas formas de realização da presente invenção relaciona-se com as utilizações dos produtos químicos gerados através da captura quimios- sintética de carbono e processo de fixação de certas formas de realização da invenção. Os — produtos químicos de certas formas de realização da presente invenção podem ser aplica- dos a utilizações, incluindo mas não limitado a um ou mais dos seguintes: como biocombus- tível; como matéria-prima para a produção de biocombustíveis; na produção de fertilizantes; como um agente de lixiviação para o extração química de metais em mineração ou biorre- mediação, como produtos químicos reagentes em processos industriais ou de mineração.
Uma característica adicional de certas formas de realização da presente invenção relaciona-se com as utilizações de compostos bioquímicos ou biomassa produzidos através da etapa ou etapas de processo quimiossintético de certas formas de realização da presente invenção. Utilizações do produto da biomassa incluem, mas não estão limitados a: como combustível para a combustão da biomassa, em particular como um combustível para ser
' co-alimentado com combustíveis fósseis, tais como o carvão em unidades de geração ali- mentadas por carvão pulverizado, como uma fonte de carbono para fermentações em gran- : de escala para produzir vários produtos químicos, incluindo, mas não se iimitam a enzimas comerciais, antibióticos, aminoácidos, vitaminas, bioplásticos, glicerol, ou 1,3-propanodiol; comouma fonte de nutrientes para o crescimento de micróbios ou outros organismos; como alimento para animais incluindo, mas não limitada ao gado, ovelhas, galinhas, porcos, ou . peixes, como matéria prima para o álcool ou outro biocombustível de fermentação e / ou | gaseificação e processos de liquefação incluindo mas não limitado a liquefação direta, os processos de Fisher Tropsch, a síntese de metanol, a pirólise, transesterificação, ou conver- sões gás de síntese microbiana, para a produção de combustível líquido; como matéria pri- ma para a produção de metano ou de biogás; como fertilizante; como matéria prima para de processos fabrico ou químicos, tais como mas não limitado à produção de plásticos biode- gradáveis/biocompatíveis; como fontes de substâncias farmacêuticas, medicinais ou nutri- cionais, aditivos de solo e estabilizadores de solo.
Uma característica adicional de certas formas de realização da presente invenção relaciona-se com a otimização de organismos quimioautotróficos para a captura de dióxido de carbono, a fixação de carbono em compostos orgânicos, e na produção de outros co- produtos químicos valiosos . Esta otimização pode ocorrer através de ou incluindo métodos conhecidos na arte de reprodução artificial, incluindo mas não limitado a mutagênese acele- rado (por exemplo, usando a luz ultravioleta ou tratamentos químicos), a engenharia genéti- ca ou modificação, a hibridação, a biologia sintética ou de reprodução seletiva tradicional. Para formas de realização da presente invenção utilizando um consórcio de quimioautótro- fos, a comunidade pode ser enriquecida com organismos desejáveis utilizando métodos co- nhecidos na arte da microbiologia através do crescimento na presença de dadores receptores de elétrons alvo, e as condições ambientais.
Uma característica adicional de certas formas de realização da presente invenção refere-se à modificação de vias bioquímicas em quimioautótrofos para a produção de com- postos orgânicos alvo. Esta modificação pode ser realizada, por exemplo, através da mani- pulação do ambiente de crescimento, ou através de métodos conhecidos na arte de repro- — dução artificial, incluindo mas não limitado a mutagênese acelerado (por exemplo, usando a luz ultravioleta ou tratamentos químicos), a engenharia genética ou modificação, a hibrida- ção, sintético biologia ou reprodução seletiva tradicional. Os compostos orgânicos produzi- dos através da modificação podem incluir, mas não estão limitados a: biocombustíveis, inclu- indo, mas não se limitam a biodiesel ou diesel renovável, a gasolina, etanol, hidrocarbonetos — de cadeialonga,o metano e o óleo pseudovegetal produzido a partir de reações biológicas in vivo; ou compostos orgânicos ou biomassa otimizada como matéria-prima para produção de biocombustível e/ou de combustível líquido através de processos químicos.
A fim de dar exemplos específicos do processo global biológico e químico para a u- tilização de micro-organismos quimioautotróficos para capturar CO, e produção de biomassa
' e outros co-produtos úteis, um número de diagramas de fluxo de processo que descrevem várias formas de realização da presente invenção são agora descritos. Í Estes exemplos específicos não devem ser interpretados como limitando o presente invento de qualquer forma e são fornecidos com o único propósito de ilustração. . 5 FIG. 2 é um diagrama de fluxo de processo para uma forma de realização exemplar 7 da presente invenção para a captura de CO, por quimioautótrofos oxidantes de hidrogênio e 7 produção de etanol. O gás de combustão rico em dióxido de carbono é capturado a partir de uma fonte de emissão, como uma usina de energia, refinaria, ou produtor de cimento. O gás de combustão é então comprimido e bombeado para digestores anaeróbicos cilíndricos con- tendo um ou mais quimioautótrofos acetogênicos oxidantes de hidrogênio tais como, mas não se limitam a Acetoanaerobium noterae, Acetobacterium woodii, Acetogenium kivui, But- yribacterium methylotrophicum, Butyribacterium rettgeri, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium acidi-urici, Clostridium autoethanogenum, Clostridium carboxidi- vorans, Clostridium formicoaceticum, Clostridium Kkluyveri, Clostridium ljungdahlii, Clostridium thermoaceticum, Clostridium thermoautotrophicum, Clostridium thermohydrosulfuricum, Clostridium thermosaccharolyticum, Clostridium thermocellum, Eubacterium limosum, Pep- tostreptococcus productus. Hidrogênio doador de elétrons é adicionado continuamente ao caldo de crescimento, juntamente com outros nutrientes necessários para o crescimento e manutenção dos quimioautotróficos que são bombeados para o digestor. Em certas concre- tizações,a fonte de hidrogênio é um processo livre de emissão de dióxido de carbono. Este poderia ser processos eletrolíticos ou termoquímicos alimentados por tecnologias de energi- a, incluindo mas não limitado a energia fotovoltaica, energia solar térmica, eólica, hidrelétri- ca, nuclear, geotérmica, geotérmica avançada, térmica oceânica, energia das ondas, ener- gia das marés. O dióxido de carbono serve como um receptor de elétrons na reação quimi- —ossintética. O caldo de cultura é continuamente removido a partir dos digestores e fluiu atra- vés de filtros de membrana para separar a massa de células a partir do caldo. A massa celu- lar é então reciclada de volta para os digestores ou bombeada para secadores, dependendo | da densidade de células nos digestores que é monitorizada por um controlador. Massa celu- lar dirigida para os secadores é então centrifugada e seca com a evaporação. O produto de , 30 — biomassa seco é recolhido a partir dos secadores. O caldo livre de células que passou atra- vés dos filtros de remoção de massa celular é direcionado para os vasos onde o produto de etanol é destilado e colocado através de uma peneira molecular para produzir etanol anidro utilizando técnicas padrão conhecidas na arte de destilação. O caldo de remanescentes a- pós destilação é então submetido a quaisquer tratamentos de resíduos desejados adicionais de remoção, que depende da fonte do gás de combustão. A água restante e os nutrientes são então bombeados de volta para os digestores. Um modelo de processo é dado na fig. 3, 4 e 5 para a forma de realização da FIG.
2. O balanço de massa, o fluxo de entalpia, equilíbrio, energia e economia de plantas foram calculados para esta [RK Sinnott, Chemical Engineering Design volume de 6, 4? ed. (Elsevi-
É er Buttenvorth-Heinemann, Oxford, 2005)] forma de realização preferida para a presente invenção.
O modelo foi desenvolvido utilizando os resultados estabelecidos na literatura ci- entífica para as acetogênicass oxidantes de H, e para as etapas de processo conhecidos a partir da arte de engenharia química.
As entradas para o modelo em relação ao desempe- - 5 —nhodo micro-organismo tomadas a partir da literatura científica [Gaddy, James L,, et ai. f "Métodos para aumentar a produção de etanol a partir da fermentação microbiana". Patente dos EUA 7.285.402. 23 de outubro de 2007; Lewis, Randy S., et al. “Fermentação direta ou indireta de biomassa em álcool combustível". O Pedido de Patente EUA 20070275447. 29 de novembro de 2007; Heiskanen, H., Virkajarvi, |., Viikari, L., 2007: O efeito da composição dogásde síntese sobre o crescimento e a formação do produto de Butyribacterium methylo- trophicum. 41: 362-367] para os micro-organismos acetogênicas eram como se segue: 1) estequiometria da reação quimiossintética a produção de etanol: 3H2+ CO, -> 0.5C3H;OH + 1,5 HO; conversão 2) de H, cada passagem através bioreator: 83%; 3 estequiometria) de reação lado ácido acético: 2H; + CO, -> 0.5C2H;OH + H7zO; 4) taxa de crescimento celular no Estado de Plateau fase estável — 0, 5) por cento de carbono fixo vai a etanol durante es- tado de equilíbrio: 99,99%; 6) concentração média de crescimento de etanol no estado esta- cionário: 10 gramas / litro; 7) de produtividade de etanol no estado estacionário: 10 gramas / litro / dia; 8) de concentração de ácido acético em estado estacionário: 2 gramas / litro; 9) a concentração de células de massa no estado estacionário: 1,5 gramas / litro.
O balanço de massa indica que uma tonelada de etanol será produzida para cada 2 toneladas de CO, bombeados para o sistema.
Isso equivale a mais de 150 litros de etanol produzido por tone- lada de CO, ingestão.
O balanço de energia indica que, para cada GJ 1 de H2 entrada de energia química existe 0,8 GJ de etanol a partir de energia química, isto é, a conversão qui- mica é esperado para ser cerca de 80% de eficiência.
A eficiência global da produção de —etanola partir deH, e CO,, incluindo energia elétrica e calor de processo, é prevista com o modelo a ser cerca de 50%. FIG. 6 é um diagrama de fluxo de processo para uma forma de realização exemplar . que envolve a captura de CO, por quimioautótrofos oxidante de enxofre e produção de bio- massa e gesso.
O gás de combustão rico em dióxido de carbono é capturado a partir de - 30 uma fontede emissão, como uma usina de energia, refinaria, ou produtor de cimento.
O gás de combustão é então comprimido e bombeado para cilíndricas digestores aeróbicos con- tendo um ou mais de quimioautótrofos oxidante de enxofre tais como, mas não se limitam a Thiomicrospira crunogena, Thiomicrospira estirpe MA-3, Thiomicrospira thermophila, Thio- bacillus hydrothermalis, Thiomicrospira sp. tensão CVO, Thiobacillus neapolitanus, Arcobac- tersp. estirpe FWKO B.
Um ou mais doadores de elétrons, tais como, mas não se limitando a tiossulfato, sulfureto de hidrogênio, ou de enxofre são adicionados continuamente ao caldo de crescimento, juntamente com outros nutrientes necessários para o crescimento quimioau- totróficos e o ar é bombeado para dentro do digestor para fornecer oxigênio como um recep- tor de elétron.
O caldo de cultura é continuamente removido a partir dos digestores e fluiu
- através de filtros de membrana para separar a massa de células a partir do caldo. A massa celular é então ou reciclado de volta para os digestores ou bombeada para secadores, de- É pendendo da densidade de células nos digestores que é monitorada por um controlador. Massa celular dirigida para os secadores é então centrifugada e seca com a evaporação. O - 5 — produto biomassa seca é recolhida a partir dos secadores. Caldo isento de células que pas- : sou através do filtro de remoção de massa celular é direcionado para vasos, onde o ácido sulfúrico produzido pelo metabolismo quimiossintético é neutralizado com cal, precipitando gesso (CaSO;). A cal pode ser produzida em certas concretizações por um processo livre de emissões de dióxido de carbono em vez de através do aquecimento de calcário. Tais pro- —cessos livres de emissão de dióxido de carbono incluem a recuperação de fontes naturais de minerais básicos, incluindo, mas não se limitam, aos sais minerais que contêm um óxido de metal, serpentina contendo um óxido de metal, os depósitos ultramáficas contendo óxi- dos de metais, e subterrâneos básicos aquíferos salinos. Bases alternativas pode ser utiliza- do para a neutralização no presente processo, incluindo mas não limitado a óxido de mag- —nésio, óxido de ferro, ou algum outro óxido de metal. O gesso é removido por técnicas de separação sólido-líquido e bombeada para secadores. O produto final é seco gesso. O caldo de remanescentes após o sulfato é precipitado e é então submetido a quaisquer desejados tratamentos de resíduos adicionais de remoção, que depende da fonte de gás de combus- tão. A água restante e os nutrientes são então bombeados de volta para os digestores.
FIG. 7 é um diagrama de fluxo de processo para uma forma de realização exemplar que envolve a captura de CO, por quimioautótrofos oxidante de enxofre e produção de bio- massa e ácido sulfúrico e carbonato de cálcio através da reação de Muller-Kuhne. O gás de combustão rico em dióxido de carbono é capturado a partir de uma fonte de emissão, como uma usina de energia, refinaria, ou produtor de cimento. O gás de combustão é então com- —primido e bombeado para cilíndricas digestores aeróbicos contendo um ou mais de quimio- autótrofos oxidante de enxofre tais como, mas não se limitam a Thiomicrospira crunogena, Thiomicrospira estirpe MA-3, Thiomicrospira thermophila, Thiobacillus hydrothermalis, Thio- - microspira sp. tensão CVO, Thiobacillus neapolitanus, Arcobacter sp. estirpe FWKO B. Um ou mais doadores de elétrons, tais como, mas não se limitando a tiossulfato, sulfureto de r 30 hidrogênio, ou de enxofre são adicionados continuamente ao caldo de crescimento, junta- mente com outros nutrientes necessários para o crescimento quimioautotróficos e o ar é bombeado para dentro do digestor para fornecer oxigênio como um receptor de elétrons. O caldo de cultura é continuamente removido a partir dos digestores e fluiu através de filtros de membrana para separar a massa de células a partir do caldo. A massa celular é então ou — reciclado de volta para os digestores ou bombeada para secadores, dependendo da densi- dade de células nos digestores que é monitorada por um controlador. Massa celular dirigida para os secadores é então centrifugado e secou-se com a evaporação. O produto biomassa seca é recolhida a partir dos secadores. Livre de células caldo que etapau através da massa celular remoção de filtros é dirigida para vasos, onde o ácido sulfúrico produzido pelo meta-
bolismo quimiossintética é neutralizado com cal (CaO), precipitando gesso (CaSO4). A cal pode ser produzida em certas concretizações por um dióxido de carbono livre de emissões Í processo em vez de através do aquecimento de calcário.
Dióxido de carbono, tais processos livres de emissão incluem a recuperação de fontes naturais de minerais básicos, incluindo, - 5 mas não se limitam aos sais minerais que contêm um óxido de metal, o minério de ferro, 7 serpentina contendo um óxido de metal, os depósitos ultramáficas contendo óxidos de me- tais, e subterrâneos básicos aquíferos salinos.
Bases alternativas pode ser utilizado para a neutralização no presente processo, incluindo mas não limitado a óxido de magnésio, óxido de ferro, ou algum outro óxido de metal.
O gesso é removido por técnicas de separação só- lidolíquido e bombeado para fornos em que o processo de Muller-Kuhne é realizado com a adição de carvão.
A reação líquida para o processo de Muller-Kuhne é a seguinte 2C + 4CaSO, — 2CaO + + 2CaCO; 480,2. O CaCO; produzido é recolhido e o teor de CaO é re- ciclado para a neutralização adicional.
O gás SO, produzido é dirigido para um reator para o processo de contato onde o ácido sulfúrico é produzido.
O caldo de remanescentes após o sulfato ser precipitado é então submetido a quaisquer desejados tratamentos de resíduos adicionais de remoção, que depende da fonte de gás de combustão.
A água restante e os nutrientes são então bombeados de volta para os digestores.
FIG. 8 é um diagrama de fluxo do processo para uma forma de realização exemplar que envolve a captura de CO2 por quimioautótrofos oxidante de enxofre e produção de bio- massa e carbonato de cálcio e de reciclagem de doador de elétrons através da reação de tiossulfato de Muller-Kuhne.
A de dióxido de carbono dos gases de combustão rica é captu- rado a partir de uma fonte de emissão, como uma usina de energia, refinaria, ou produtor de cimento.
O gás de combustão é então comprimido e bombeado para cilíndricas digestores aeróbicos contendo um ou mais de quimioautótrofos oxidante de enxofre tais como, mas não se limitam a Thiomicrospira crunogena, Thiomicrospira estirpe MA-3, Thiomicrospira thermophila, Thiobacillus hydrothermalis, Thiomicrospira sp. tensão CVO, Thiobacillus nea- politanus, Arcobacter sp. estirpe FWKO tiossulfato de cálcio B. é o doador de elétrons adi- . cionados continuamente ao caldo de crescimento, juntamente com outros nutrientes neces- sários para o crescimento quimicautotróficos e o ar é bombeado para dentro do digestor . 30 — para fornecer oxigênio como um receptor de elétrons.
O caldo de cultura é continuamente removido a partir dos digestores e fluiu através de filtros de membrana para separar a mas- sa de células a partir do caldo.
A massa celular é então quer reciclado de volta para os di- gestores ou bombeada para secadores, dependendo da densidade de células nos digesto- res que é monitorada por um controlador.
Massa celular dirigida para os secadores é então —centrifugado e secou-se com a evaporação.
O produto biomassa seca é recolhida a partir dos secadores.
Livre de células caldo que passou através do filtro de remoção de massa celular é direcionada para vasos, onde o ácido sulfúrico produzido pelo metabolismo quimi- ossintético é neutralizado com cal (CaO), precipitando gesso (CaSO;,). A cal pode ser pro- duzida em certas concretizações por um processo livre de emissões de dióxido de carbono
- em vez de através do aquecimento de calcário.
Tais processos livres de emissão de dióxido de carbono incluem a recuperação de fontes naturais de minerais básicos, incluindo, mas : não se limitam aos sais minerais que contêm um óxido de metal, serpentina contendo um óxido de metal, os depósitos ultramáficas contendo óxidos de metais, e subterrâneos bási- - 5 cosaquíferos salinos.
Bases alternativas pode ser utilizado para a neutralização no presente a processo, incluindo mas não limitado a óxido de magnésio, óxido de ferro, ou algum outro óxido de metal.
O gesso é removido por técnicas de separação sólido-líquido e bombeado para fornos em que o processo de Muller-Kuhne é realizado com a adição de carvão.
A rea- ção líquida para o processo de Muller-Kuhne é a seguinte 2C + 4CaSO, — 2CaO + + 2CaCO;+48SO, O CaCO; produzido é recolhido e o Cao é reciclado para a reação posteri- or.
O gás SO, produzido é dirigido para um reator onde é feito a reação com CaO ou algum outro óxido de metal, tais como óxido de ferro e do enxofre para reciclar o tiossulfato (tios- sulfato de cálcio se CaO for usado). O caldo remanescente após o sulfato ser precipitado é então submetido a quaisquer desejados tratamentos de resíduos adicionais de remoção, que depende da fonte de gás de combustão.
A água restante e os nutrientes são então bombeados de volta para os digestores.
FIG. 9 é um diagrama de fluxo de processo para uma forma de realização exemplar que envolve a captura de CO, por enxofre e o quimioautótrofos oxidantes de ferro e produ- ção de biomassa e ácido sulfúrico usando uma fonte insolúvel de doadores de elétrons.
O gásde combustão rico em dióxido de carbono é capturado a partir de uma fonte de emissão, como uma usina de energia, refinaria, ou produtor de cimento.
O gás de combustão é então comprimido e bombeado para um conjunto de cilíndricas digestores aeróbicos contendo um ou mais de quimioautótrofos oxidante de enxofre tais como, mas não se limitam a, Thiomi- crospira crunogena, Thiomicrospira estirpe MA-3, Thiomicrospira thermophila, Thiobacíllus —hydrothermalis, Thiomicrospira Sp. tensão CVO, Thiobacillus neapolitanus, Arcobacter sp. estirpe FWKO B, e outro conjunto de cilíndricas digestores aeróbicos contendo um ou mais de quimioautótrofos oxidantes de ferro tais como, mas não se limitam a ferrooxidans Leptos- - pirillum ou ferrooxidans Thiobacillus.
Um ou mais fontes de doadores de elétrons insolúveis, tais como mas não limitados a enxofre elementar, pirite, ou sulfetos de metais outros são 2 30 — enviados para um reator anaeróbico para a reação com uma solução de ferro férrico.
Opcio- nalmente, quimioautótrofos tais como, mas não se limitam a, Thiobacillus ferrooxidans e sp Sulfolobus podem estar presentes neste reator para ajudar a biocatálise ataque da fonte de doador de elétrons insolúvel com ferro férrico.
Um lixiviado de ferro ferroso e fluxo de tiossul- fato de fora do reator.
O ferro ferroso é separado da corrente de processo por precipitação. —A solução de tiossulfato é então direcionada para os digestores S oxidante e do ferro ferroso é bombeado para os digestores Fe oxidantes- como o dador de elétrons para cada tipo de quimioautótrofo respectivamente.
O ar e outros nutrientes necessários para o crescimento quimioautotróficos também são bombeados para os digestores.
O caldo de cultura é conti- nuamente removido a partir dos digestores e fluiu através de filtros de membrana para sepa-
: rar a massa de células a partir do caldo.
A massa celular é então reciclada de volta para os digestores ou bombeada para os secadores, dependendo da densidade de células nos di- : gestores que é monitorada por um controlador.
A massa celular dirigida para os secadores é então centrifugada e seca com a evaporação.
O produto biomassa seca é recolhido a partir - 5 dos secadores.
Na corrente de processo S-oxidante, o caldo isento de células que passou É através do filtro de remoção de massa celular é direcionado para os sistemas de recupera- ção de ácido sulfúrico, tais empregados nas indústrias de refinaria ou destilaria onde o pro- duto de ácido sulfúrico do metabolismo quimiossintético se concentra.
Este concentrado de ácido sulfúrico é então concentrado ainda mais usando um processo de contato para dar um produto de ácido sulfúrico concentrado.
O caldo de remanescentes após o sulfato e de ácido sulfúrico foram removidos é então submetido a quaisquer desejados tratamentos de resi- duos adicionais de remoção, que depende da fonte de gás de combustão.
Na corrente de processo Fe oxidante-o caldo isento de células que etapau através da massa celular remo- ção de filtros é então retirado de ferro férrico por precipitação.
Este ferro férrico é então en- viado de volta para reação posterior com a fonte insolúvel de doadores de elétrons (por e- xemplo, S, FeS2). A água restante e os nutrientes em ambos os fluxos do processo são en-
tão bombeados de volta para os seus respectivos digestores.
FIG. 10 é um diagrama de fluxo do processo para uma forma de realização exem- plar que envolve a captura de CO, por quimioautótrofos oxidantes de enxofre e hidrogênio e produção de biomassa, ácido sulfúrico e etanol, utilizando uma fonte insolúvel de doadores de elétrons.
O gás de combustão rico em dióxido de carbono é capturado a partir de uma fonte de emissão, como uma usina de energia, refinaria, ou produtor de cimento.
O gás de combustão é então comprimido e bombeado para um conjunto de digestores aeróbicos ci- líndricos contendo um ou mais quimioautótrofos oxidante de enxofre tais como, mas não se limitam a, Thiomicrospira crunogena, Thiomicrospira estirpe MA-3, Thiomicrospira thermo- phila, Thiobacillus hydrothermalis, Thiomicrospira sp. tensão CVO, Thiobacíllus neapolita- nus, Arcobacter sp. estirpe FWKO B, e outro conjunto de digestores anaeróbicos cilíndricas .: contendo um ou mais quimioautótrofos acetogênicos hidrogênio-oxidantes tais como, mas não se limitam a, Acetoanaerobium noterae, woodii Acetobacterium, kivui Acetogenium, me- P 30 — thylotrophicum Butyribacterium, rettgeri Butyribacterium, Acetato de Clostridium, acetobutyli- cum Clostridium, Clostridium ACIDI-urici , Clostridium autoethanogenum, Clostridium carbo- xidivorans, Clostridium formicoaceticum, Clostridium kluyveri, Clostridium ljungdahlii, Clostri- dium thermoaceticum, Clostridium thermoautotrophicum, Clostridium thermohydrosulfuricum, Clostridium thermosaccharolyticum, Clostridium thermocellum, Eubacterium limosum, Pep- — tostreptococcus productus.
Um ou mais fontes de doadores de elétrons insolúveis, tais como mas não limitados a, enxofre elementar, pirite, ou sulfetos de metais outros são enviados para um reator anaeróbico para a reação com uma solução de ferro férrico.
Opcionalmente quimioautótrofos tais como, mas não se limitam a Thiobacillus ferrooxidans e sp Sulfolobus. podem estar presentes neste reator para ajudar a biocatálise ataque da fonte insolúvel doa-
" dor de elétrons com ferro férrico.
Um lixiviado de ferro ferroso e fluxo de tiossulfato de fora do reator.
O ferro ferroso é separado da corrente de processo por precipitação.
A solução de : tiossulfato é então seguida para os digestores S oxidantes como um doador de elétrons e o ferro ferroso é bombeado para um reator de eletrólise anaeróbio.
No gás de eletrólise reator - 5 de hidrogênio é formado pela reação eletroquímica 2H* + Fe?* — H, + Fe”. A tensão de " célula aberta para esta reação é de 0,77 V que é substancialmente menor do que a tensão da célula aberta para a eletrólise da água (1,23 V). Além disso, a cinética da oxidação do ferro ferroso em ferro férrico é muito mais simples do que para a redução de oxigênio na água para gás de oxigênio, daí a sobretensão para a reação de ferro ser mais baixa.
Estes fatores combinados fornecem uma economia de energia para a produção de hidrogênio ga- soso, utilizando ferro ferroso em comparação com a eletrólise da água.
O hidrogênio produ- zido é alimentado nos digestores H-oxidantes como o doador de elétrons.
Os outros nutrien- tes necessários para o crescimento quimioautotróficos são também bombeados para os di- gestores.
O caldo de cultura é continuamente removido a partir dos digestores e fluiu através —defilitosdemembrana para separar a massa de células a partir do caldo.
A massa celular é então quer reciclado de volta para os digestores ou bombeada para secadores, dependendo da densidade de células nos digestores que é monitorada por um controlador.
Massa celular dirigida para os secadores é então centrifugado e secou-se com a evaporação.
O produto biomassa seca é recolhida a partir dos secadores.
Na corrente de processo S-oxidante, o caldo isento de células que passou através do filtro de remoção de massa celular é dirigido para os sistemas de recuperação de ácido sulfúrico, tais como empregados nas refinarias e nas indústrias de destilação onde o produto de ácido sulfúrico do metabolismo quimiossinté- tica se concentra.
Este concentrado de ácido sulfúrico é então concentrado ainda mais u- sando o processo de contato para dar um produto de ácido sulfúrico concentrado.
O caldo —deremanescentes após o sulfato e de ácido sulfúrico foram removidos é então submetido a quaisquer desejados tratamentos de resíduos adicionais de remoção, que depende da fonte de gás de combustão.
Na corrente de processo H-oxidante, o caldo isento de células que . passou através do filtro de remoção de massa celular é direcionado para os vasos, onde o ácido acético produzido é feito reagir com etanol para produzir acetato de etila que é remo- v 30 — vidoda solução por destilação reativa.
O acetato de etila é convertido em etanol por meio de hidrogenação.
Parte, por exemplo, metade do etanol é reciclado para reação posterior no processo de destilação reativa.
A outra parte é colocada através de uma peneira molecular que separa etanol anidro por adsorção a partir de etanol diluído.
O etanol anidro é então recolhido e o etanol diluído é retornado para reação posterior na etapa de destilação reativa. —O caldoremanescente após o ácido acético ser reativamente destilado é então submetido a quaisquer tratamentos de resíduos adicionais desejados de remoção, que depende da fonte de gás de combustão.
A água restante e nutrientes em ambos os fluxos do processo são então bombeados de volta para os seus respectivos digestores.
FIG. 11 é um diagrama de fluxo de processo para uma forma de realização exem-
7 plar que envolve a captura de CO, por quimioautótrofos oxidante de ferro e hidrogênio e : produção de biomassa, sulfato férrico, carbonato de cálcio e etanol, utilizando carvão ou 7 outro hidrocarboneto como a entrada de energia para a produção de doadores de elétrons sem a liberação de CO, gasoso.
O gás de combustão rico em dióxido de carbono é captura- - 5 doa partirde uma fonte de emissão, como uma usina de energia, refinaria, ou produtor de Í cimento.
O gás de combustão é então comprimido e bombeado para um conjunto de cilíndri- cas digestores aeróbicos contendo um ou mais quimioautótrofos oxidantes de ferro tais co- mo, mas não se limitam a ferrooxidans Leptospirillum ou ferrooxidans Thiobacíllus, e outro conjunto de digestores anaeróbicos cilíndricos contendo um ou mais quimioautótrofos ace- togênicaos oxidante de hidrogênio tal como, mas não se limitam a, Acetoanaerobium note- rae, woodii Acetobacterium, kivui Acetogenium, methylotrophicum Butyribacterium, rettgeri Butyribacterium, Acetato de Clostridium, acetobutylicum Clostridium, Clostridium ACIDI-urici, autoethanogenum Clostridium, carboxidivorans Clostridium, formicoaceticum Clostridium, Kkluyveri Clostridium, ljiungdahlii Clostridium, thermoaceticum Clostridium, Clostridium ther- —moautotrophicum, Clostridium thermohydrosuifuricum, Clostridium thermosaccharolyticum, Clostridium thermocellum, Eubacterium limosum, Peptostreptococcus productus.
O gás hi- drogênio produzido pela reação do deslocamento de água é alimentado nos digestores H- oxidantes como o dador de elétrons.
O sulfato ferroso sintetizado através da reação de óxi- do ferroso (FeO), dióxido de enxofre e oxigênio é bombeado para os digestores Fe oxidan- tes-como o dador de elétrons.
Os outros nutrientes necessários para o crescimento quimio- autotróficos são também bombeados para os digestores para cada tipo de chemoautotroph respectivo.
O caldo de cultura é continuamente removido a partir dos digestores e fluiu atra- vês de filtros de membrana para separar a massa de células a partir do caldo.
A massa celu- lar é então reciclado de volta para os digestores ou bombeada para secadores, dependendo —da densidade de células nos digestores que é monitorada por um controlador.
A massa ce- lular dirigida para os secadores é então centrifugada e secou-se com a evaporação.
O pro- duto biomassa seca é recolhido a partir dos secadores.
Na corrente de processo Fe oxidan- - te, o caldo isento de células que passou através do filtro de remoção de massa celular é direcionado para os sistemas de recuperação de sulfato férrico, tais como empregues na ç 30 indústria do aço, onde o produto de sulfato férrico do metabolismo quimiossintética é con- centrada em um produto comercializável.
O caldo remanescente após o sulfato ser removido é então submetido a quaisquer desejados tratamentos de resíduos adicionais de remoção, que depende da fonte de gás de combustão.
Na corrente de processo H-oxidante, o caldo isento de células que passou através do filtro de remoção de massa celular é dirigida para — vasos, onde o ácido acético produzido é feito reagir com etanol para produzir acetato de etila que é removido da solução por destilação reativa.
O acetato de etila é convertido em etanol por meio de hidrogenação.
Parte, por exemplo, meia, do etanol é reciclada para rea- ção posterior no processo de destilação reativa.
A outra parte do etanol é colocada através de uma peneira molecular que separa etanol! anidro por adsorção a partir de etanol diluído.
r O etanol anidro é então recolhido e o etanol diluído é retornado para reação posterior na etapa de destilação reativa. O caldo remanescente após o ácido acético ser reativamente : destilado é então submetido a quaisquer tratamentos de resíduos desejados adicionais de remoção, que depende da fonte de gás de combustão. A água restante e nutrientes em am- . 5 —bososfluxosdo processo são então bombeados de volta para os seus respectivos digesto- À res. Tanto o gás de hidrogênio e os doadores de elétrons de sulfato ferroso, em última análi- se, são gerados através da oxidação do carvão ou alguns outros hidrocarbonetos. A oxida- ção aciona duas reações que ocorrem em paralelo, uma é a redução do minério de ferro (Fe20;) para óxido ferroso (FeO), acompanhada pela libertação de monóxido de carbono queéa água deslocado para produzir o gás de hidrogênio e dióxido de carbono, o outro é a redução de gesso (CaSO,) para o dióxido de enxofre e cal acompanhada pela libertação de dióxido de carbono. O dióxido de carbono a partir de ambas as correntes do processo é feito reagir com a cal para produzir carbonato de cálcio. Em paralelo com a produção de carbona- to de cálcio é a produção de sulfato ferroso através da reação de óxido ferroso com dióxido deenxofree oxigênio.
Deve notar-se que, em todas as concretizações descritas anteriormente, com um produto de ácido sulfúrico o ácido sulfúrico pode alternativamente ser neutralizado, em cer- tas concretizações, com uma base que não é um carbonato (de forma a não libertar dióxido de carbono na reação ácido-base) e este carbonato pode ser produzido por um processo sem emissões de dióxido de carbono. Tais bases incluem, mas não estão limitadas a mine- rais naturais básicos que contêm um óxido de metal, serpentina contendo um óxido de me- tal, os depósitos ultramáficos contendo óxidos de metais básicos, subterrâneos aquíferos salinos, e óxido de cálcio de ocorrência natural, óxido de magnésio, óxido de ferro, ou algum outro óxido de metal. O sulfato de metal, que resulta da reação ácido-base, pode ser recu- —peradoa partirda corrente de processo e de preferência refinado em um produto comerciali- zável, enquanto a água produzida pela reação ácido-base pode ser reciclada de volta para os reatores de quimiossíntese.
- O exemplo seguinte destina-se a ilustrar certas características e vantagens de pelo menos uma forma de realização da presente invenção, mas não exemplifica o âmbito total : 30 dainvenção.
Exemplo Um exemplo de trabalho específico é fornecido para demonstrar a captura de car- bono e as capacidades de fixação de micro-organismos quimioautotróficos que desempe- nham um papel central na captura de carbono global e o processo de fixação da presente invenção.
Os testes foram realizados sobre o quimoautótrofo oxidantes de enxofre Thiomi- crospira crunogena ATCC tt 35932 adquirido como uma cultura liofilizada a partir de Ameri- can Type Culture Collection (ATCC). Os organismos foram cultivados no meio ATCC reco- mendado - o caldo % 1422. Este caldo consistiu nos seguintes produtos químicos dissolvidos
7 em 1 litro de água destilada: i NaCl, 25.1g; (NH4) 28SO,, 1,0 g; MASO2.7 HO, 1,5 g; KH2PO,, 0,42 g; NaHCO;, 0,20 g; Ca- : Cl7.2 H2O, 0,29 g; Tris-cloridrato de tampão, 3,07 g; Na2S,O3.5H,0 , 2,48 g; Visniac e Santer solução de elementos traço, 0,2 ml, 0,5% de vermelho de fenol, 1,0 ml; - 5 O caldo * 1422 foi ajustado para pH 7,5 e esterilizada por filtração antes da inocu- : lação.
A cultura liofilizada de Thiomicrospira crunogena foi rehidratada de acordo com o procedimento recomendado pela ATCC e transferida para um primeiro tubo de ensaio com 5 ml de caldo * 1422 e colocado num agitador. Esta cultura foi usada para inocular os tubos deteste adicionais. NaOH foi adicionado conforme necessário para manter o pH próximo de 7,5. Eventualmente as culturas foram transferidas a partir do tubo de ensaio para frascos contendo 1 litro cheios com 250 ml! de $ 1422 caldo e colocado num New Brunswick Scienti- fic Co. Frasco de agitação incubadora ajustado para 25 graus Celsius.
A determinação da taxa de crescimento para Thiomicrospira crunogena foi realiza- da utilizando o seguinte procedimento: 1) três (1 litro) frascos contendo 95 ml ATCC 1422 meio foram inoculados com 5 ml! das culturas acima diluídas até uma densidade otica — 0,025. As densidades óticas foram determinadas usando um Milton Roy Spectronic 1001 Espectrofotómetro; 2. Duas amostras ml! de culturas foram retiradas de cada frasco de t = O em t = 48 horas a cada 2 horas de intervalo e densidade ótica medida. A densidade ótica foi —correlacionada com o peso seco de pesagem duas vezes centrifugadas e lavadas com a- mostras de 1 ml! de caldo líquidas secas em forno em pratos de alumínio pré-pesados.
A partir da curva de crescimento verificou-se que na fase exponencial o tempo de duplicação para Thiomicrospira crunogena foi de uma hora. Trata-se de 4 a 6 vezes menor tempo de duplicação do que as mais rápidas taxas de crescimento reportadas para as algas —nafase exponencial [Sheehan et al, 1998, "Um Olhar para trás no Departamento dos EUA de Energia Aquática Espécies Programa de Biodiesel a partir de algas"]. A célula presente densidade de massa nas experiências do balão quando os micro-organismos estavam na . fase exponencial de crescimento atingiu 0,5 g de peso secol/litro, e na fase de plateau a densidade de massa de células atingiu 1 g de peso secol/litro. Isto indica que, num sistema à. 30 — contínuo que mantém a cultura no estado de crescimento exponencial com a remoção con- tínua de células, estes micro-organismos têm o potencial para produzir 12 g de peso se- co/litro/dia de biomassa. Isto é cerca de 4-12 vezes mais rápido que as mais altas taxas diá- rias de produção de biomassa relatadas para as algas [Valcent, 2007; CNN, 2008]. Além disso, num biorreator contínuo densidades celulares substancialmente mais elevadas devem —sercapazes de ser mantidas na fase exponencial do que o que pode ser conseguido ao ní- vel balão com T. crunogena. Este experimento suporta que taxas muito mais elevadas de fixação de carbono são alcançáveis com quimioautotróficos do que micróbios fotossintéticos.
Formas de realização específicas preferidas da presente invenção foram descritas aqui em detalhe suficiente para permitir que os peritos na arte para praticar o âmbito total da
7 invenção. No entanto, é para ser entendido que muitas variações possíveis da presente in- ' venção, que não tenham sido especificamente descritas, ainda caem dentro do âmbito da : presente invenção e nas reivindicações anexas. Por isso, estas descrições aqui indicados são adicionados apenas a título de exemplo e não se destinam a limitar, de qualquer forma, BR 5 oâmbitoda presente invenção. Mais geralmente, os peritos na arte irão apreciar facilmente 7 que todos os parâmetros, dimensões, materiais e configurações aqui descritas são destina- dos a ser exemplar e que os parâmetros reais, dimensões, materiais, e/ou configurações dependerá da aplicação específica ou aplicações para as quais os ensinamentos da presen- te invenção é/são utilizados. Os peritos na arte reconhecerão, ou serão capazes de determi- nar usando não mais do que experimentação de rotina, muitos equivalentes às formas de realização específicas da invenção aqui descrita. É, portanto, para ser entendido que as formas de realização anteriores são apresentadas a título de exemplo apenas e que, dentro do escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes aos mesmos, a invenção pode ser praticada de outra forma que não as especificamente descritas e reivindicadas. A pre- sente invenção é dirigida para cada característica individual, artigo de sistema, material, kit, elou o método aqui descrito. Além disso, qualquer combinação de dois ou mais destes ele- mentos, sistemas, artigos, materiais, kits, e/ou métodos, se tais características, os sistemas, artigos, materiais, kits, e/ou métodos não são mutuamente incompatíveis, está incluído den- tro do escopo da presente invenção.
Os artigos indefinidos "a" e "um", como aqui utilizados na especificação e nas rei- vindicações, a menos que expressamente indicado em contrário, devem ser entendidos co- mo "pelo menos um”.
A frase "e/ou", tal como aqui utilizado na especificação e nas reivindicações, deve ser entendida como "um ou ambos" dos elementos de modo xifópagos, isto é, elementos —que são conjuntamente presente em alguns casos e disjuntivamente presente em outros casos. Outros elementos podem, opcionalmente, estar presentes para além dos elementos especificamente identificadas pelo "e/ou" cláusula, relacionada ou não aos elementos espe- - cificamente identificados, a menos que expressamente indicado em contrário. Assim, como um exemplo não limitativo, uma referência a "A e/ou B", quando usado em conjunto com ' 30 — aberta língua, tais como "compreendendo" pode referir-se, em uma forma de realização, a A, sem B (incluindo opcionalmente outros elementos que B), em outra forma de realização, a B sem A (incluindo opcionalmente outros elementos para além A); Em ainda outra concretiza- ção, a ambos A e B (incluindo opcionalmente outros elementos); etc. Tal como aqui utilizado na especificação e nas reivindicações, "ou" deve ser enten- dido como tendo o mesmo significado de "e/ou", tal como definido acima. Por exemplo, quando separando os itens em uma lista, "ou" ou "e/ou" deve ser interpretada como sendo inclusiva, ou seja, a inclusão de pelo menos um, mas também incluindo mais de um, de um número ou uma lista de elementos, e, opcionalmente, outros itens não listados. Apenas ter- mos claramente indicado o contrário, como "apenas um" ou "exatamente um", ou, quando x utilizado nas reivindicações", constituídos por," vai se referir à inclusão de exatamente um : elemento de um número ou uma lista de elementos. Em geral, o termo "ou" como usado 7 aqui deve ser interpretado como uma indicação de alternativas exclusivas (ou seja, "um ou outro, mas não ambos"), quando precedidos por termos de exclusividade, como "ou", "um : 5 dos""apenas um", ou "exatamente um", “que consiste essencialmente de ", quando utilizado : nas reivindicações, terá seu sentido comum, usado no campo do direito das patentes.
Nas reivindicações, bem como na especificação acima, todas as frases de transição como "compreendendo", "incluindo", "carregando", "ter", "contendo", "envolvendo", "manten- do”, e como são. Entende-se aberto, isto é, para significar incluindo mas não limitado a. So- mente as frases de transição "que consiste em" e "que consiste essencialmente de" devem ser frases de transição fechada ou semi-fechadas, respectivamente.

Claims (10)

  1. ' REIVINDICAÇÕES : 1. Processo biológico e químico para a captura e conversão de dióxido de carbono ' elou outras fontes de carbono inorgânico em compostos orgânicos CARACTERIZADO por compreender: . 5 introduzir o gás de dióxido de carbono, ou isoladamente e/ou dissolvido em uma r mistura ou solução ainda compreendendo íon carbonato e/ou íon bicarbonato, e/ou introdu- zir o carbono inorgânico contido em uma fase sólida em um ambiente adequado para a ma- nutenção dos organismos quimioautotróficos e/ou extratos de células quimioautotróficas; e fixar o dióxido de carbono e/ou o carbono inorgânico nos compostos orgânicos pre- sentes no meio através de pelo menos uma reação quimiossintética de fixação de carbono utilizando micro-organismos quimioautotróficos obrigatórios e/ou facultativos e/ou extratos celulares contendo enzimas dos micro-organismos quimioautotróficos; no qual a reação quimiossintética de fixação de carbono é conduzida por energia química e/ou eletroquímica fornecida por doadores de elétrons e receptores de elétrons que foram gerados quimicamente e/ou eletroquimicamente e/ou são introduzidos no meio a partir de pelo menos uma fonte externa ao meio.
  2. 2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato dos doadores de elétrons incluírem, mas não estarem limitados a, um ou mais dos agentes redu- tores que seguem: amônia; amônio; monóxido de carbono; ditionito; enxofre elementar; hi- —drocarbonetos; hidrogênio; metabissulfetos; óxido nítrico; nitritos; sulfatos, tais como, tiossul- fatos incluindo, mas não limitados a tiossulfato de sódio (Na7S2O;) ou tiossulfato de cálcio (CaS,O;); sulfetos, tais como, sulfeto de hidrogênio; sufitos; tionato; tionito; metais de tran- sição ou seus sulfetos, óxidos, calcogenetos, haletos, hidróxidos, oxihidróxidos, fosfatos, sulfatos, ou carbonatos, nas fases sólidas ou dissolvidas; e elétrons na banda de valência —oude condução nos materiais de eletrodos em estado sólido.
  3. 3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato dos receptores de elétrons compreenderem um ou mais dos que seguem: dióxido de carbo- . no; oxigênio; nitritos; nitratos; ferro férrico ou outros íons de metal de transição; sulfatos; ou elétrons na banda de valência em materiais eletrodos em estado sólido.
  4. s 30 4, Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato da etapa de fixação ser precedida por uma ou mais etapas de pré-processamento químico em que os doadores de elétrons e/ou os receptores de elétrons são gerados e/ou refinados a partir de pelo menos um produto químico de entrada e/ou são reciclados a partir dos produtos químicos produzidos durante a etapa de fixação e/ou os — produtos químicos derivados dos fluxos dos resíduos de outros processos geradores de re- síduos industriais, de mineração, agrícola, ou de esgoto.
  5. 5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, CARACTERIZADO pelo fato da etapa de fixação ser seguida por uma ou mais etapas do processo em que produtos químicos orgânicos e/ou inorgânicos de quimiossíntese são se-
    a parados de um fluxo do processo produzido durante a etapa de fixação e processados para : formar produtos em uma forma adequada para armazenagem, transporte, e venda; assim " como uma ou mais etapas do processo em que a massa celular é separada do fluxo do pro- cesso e reciclada para o meio como e/ou coletada e processada para produzir a biomassa BR 5 emuma forma adequada para armazenagem, transporte, e venda.
    ]
  6. 6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, CARACTERIZADO pelo fato da etapa de fixação ser seguida por uma ou mais etapas do processo em que produtos dos resíduos e/ou impurezas ou contaminantes são removidos de um fluxo do processo produzido durante a etapa de fixação e eliminados.
  7. 7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, CARACTERIZADO pelo fato da etapa de fixação ser seguida por uma ou mais etapas do processo em que quaisquer nutrientes não empregados e/ou água do processo deixada a- pós a remoção da massa celular quimioautotrófica e/ou co-produtos químicos de quimiossíin- tese e/ou produtos dos resíduos ou contaminantes do fluxo do processo produzidos durante a etapa de fixação são reciclados de volta para o meio para suportar a quimiossíntese adi- cional.
  8. 8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, CARACTERIZADO pelo fato dos micro-organismos quimioautotróficos obrigatórios e/ou facultativos incluírem um ou mais dos que seguem: Acetoanaerobium sp.; Acetobacterium sp; Acetogenium sp.; Achromobacter sp.; Acidianus sp.; Acinetobacter sp.; Actinomadura sp.; Aeromonas sp.; Alcaligenes sp.; Alcaligenes sp.; Arcobacter sp.; Aureobacterium sp.; Bacillus sp.; Beggiatoa sp.; Butyribacterium sp.; Carboxydothermus sp.; Clostridium sp.; Comamonas sp.; Dehalobacter sp.; Dehalococcoide sp.; Dehalospirillum sp.; Desulfobacteri- um sp.; Desulfomonile sp.; Desulfotomaculum sp.; Desulfovibrio sp.; Desulfurosarcina sp.; —Ectothiorhodospira sp.; Enterobacter sp.; Eubacterium sp.; Ferroplasma sp.; Halothibacillus sp.; Hydrogenobacter sp.; Hydrogenomonas sp.; Leptospirillum sp.; Metallosphaera sp.; Me- thanobacterium sp.; Methanobrevibacter sp.; Methanococcus sp.; Methanosarcina sp.; Mi - crococcus sp.; Nitrobacter sp.; Nitrosococcus sp.; Nitrosolobus sp.; Nitrosomonas sp.; Nitro- sospira sp.; Nitrosovibrio sp.; Nitrospina sp.; Oleomonas sp.; Paracoccus sp.; Peptostrepto- . 30 —coccus sp.; Planctomycetes sp.; Pseudomonas sp.; Ralstonia sp.; Rhodobacter sp.; Rhodo- coccus sp.; Rhodocyclus sp.; Rhodomicrobium sp.; Rhodopseudomonas sp.; Rhodospirillum sp.; Shewanella sp.; Streptomyces sp.; Sulfobacillus sp.; Sulfolobus sp.; Thiobacillus sp.; Thiomicrospira sp.; Thioploca sp.; Thiosphaera sp.; Thiothrix sp.; oxidantes de enxofre; oxi- dantes de hidrogênio; oxidantes de ferro; acetogênios; e metanogênios; consórcios de mi- —cro-organismos que incluem quimioautotróficos; quimioautotróficos nativos para pelo menos uma dentre fontes hidrotérmicas, fontes geotérmicas, fontes de calor, nascentes frias, aqui- feros subterrâneos, lagos de sal, formações salinas, minas, drenagem ácida de mina, resí- duos de minas, poços de petróleo, água com resíduos de refinaria, as camadas de carvão, sub-superfície profunda; água com resíduos e estações de tratamento de esgoto; estações
  9. : de energia geotérmica, campos de sulfatara, e solos; e extremófilos selecionados a partir de : um ou mais de termófilos, hipertermófilos, acidófilos, halófilos, e psicrófilos. ' 9. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, CARACTERIZADO pelo fato de pelo menos uma reação quimiossintética ser realizada por ' 5 —meiodos micro-organismos quimioautotróficos que foram melhorados, otimizados ou enge- nheirados para a fixação de dióxido de carbono e/ou outras formas de carbono inorgânico e a produção de compostos orgânicos através dos métodos incluindo um ou mais dos que seguem: mutagênese acelerada, modificação ou engenharia genética, hibridização, biologia sintética e reprodução seletiva tradicional.
  10. 10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 9, CARACTERIZADO pelo fato dos cultivos dos organismos quimioautotróficos serem manti- dos no meio, cujo meio compreende e/ou é formado pelo menos em parte por um aparelho de cultivo microbiano selecionado a partir de: reatores de transporte aéreo; colunas de puri- ficação biológica; biorreatores; colunas de bolhas; reatores de tanque agitados contínuos; —contracorrente, de fluxo ascendente, reatores de leito expandidos; digestores; tratamento de água com resíduos e/ ou esgoto ou sistemas de biorremediação; um ou mais filtros selecio- nados a partir de filtros de aeração, filtros biológicos de contato rotativo, discos rotativos, e filtros de solo; reatores de leito fluidizado; fermentadores de sustentação de gás; reatores imobilizados de célula; reatores da biopelícula da membrana; poços de mina; tanques pa- chuca; reatores de leito fixo; reatores de fluxo constante; misturadores estáticos; tanques; reatores de leito gotejante (trinckel-bed); cubas; biorreatores de eixo vertical; poços; caver- nas; cavernas; cisternas; lagoas; brejos; lagos; pedreiras; reservatórios; e torres.
    Diagrama do Fluxo do Processo Geral à Energia + =, ad + Ea A mm sê | residual no ss8a Celuia j Doador de pedáias 36 Sera rm a so QUÍMECs s Ma a ss 3 3 apa de LD SS Blomassa Seca des no ad | Teu: amam eee ss 23 nutrientes $ a Receptor és á de elétron Sm - Resíduos químicos 2 FIG. 1
    Eletricidade: Ho. o Oz possesmecees qunsemenen=—= Controlador | i TITenaç i FA Calor i 4 Residual Ho 192 Cotas FE H Reciciada , Calor + Õ ; R Biomassa Seca a e doador Fe Uberação de P Fi õs SE s a Massa de] 45) Mass: 5 õ co decélula 1X) 3$ [8 apa do Dm CR 3$ ox + Es is Ses. 25% Á SU de etano etanol 2 o sebo Er O reciclado ss *+ nutrientes = Só
    ES H jo Resíduo .|'* Resíduos químicos - FIG. 2
    ' 3H7 + CO; — 1/2 C;H;OH + 3/2 H;O (Massa Balance) NA, Duma TT! A Bi ee 28 Ha e doador g Pejunção se (9) Ti Massa | fecmesno Stos, 3 LO O TS au | 35] PERDA í $1 de NS A ama |) 3 fi) Or cata or E XD, am ES O Peas O dia O ml: CA 6a o (O) nutrentes x q (O D ta & ES ses Fr tonih Ee) [ese Pe Ps [Ds DD, |. |)
    LINHA CORRENTE DE CO; DE H; DE Hz DE NUTRIENTE | DE HO RESIDUAL CELULAR [e das De das Dos o ss | - | o Ch dae de o Dc co] [es [| [| - | o Re e o o a Ps se o een] 2 [o Dc DO Desen | o | Pos | - | [La De lee DE ço | - joe] 42% | [meo Loc le e. [oe = 1 Pas] - | Memoacêncol — co | e - [oco cc | = Dest - | [sowssa Lc Le e o Do E PO Ps | 1% | [reraso) | 15000 [aro | ano | aro | ano | snoo | sto | ano | ano |
    NÚMERO DA [mes e Ds De Ds [Ds Ds Pe [e + |) [ar [FE EEE sa | me | mo Juíto [e [1 ovenbooed [o o o E a E oe PT E | [OR De ss PP sa DP o [umretes |O das do Do O as Poweos| 125 | [no [am [e melmeso] o [ om | - | 36 Írço] - | - | [eo [| [sw |: | oa | e [o as [rraço[ | | nemoncêmcol — : [om | - | - | - [| - | - | o% [5700] om | [ sowassa | 18 1 dmaço|l co oe e Do Das Ds | FIG. 3
    3H3+CO,; — 1/2C;H;OH+3/2H;0 (Fluxo de Entalpia) poscossascensd Controlador | Õ ' eenemanao A — o Po Cehoia Recetod vu PE, teciciaa i if INN | í ão AQ: Biomassa el É soado: PRquenação de P P | Inusade Seca 28 x Hessade | 4 | Excodento. | & j ão s2 fesnanda 7 É o co caldo à = À e utura g do ! Boss, 8 to dr às . é Foo je Cs E Co ma No E E ; o (e) j LENA j j O] | —t A i RE A O) TTTisKS) Causa O 946 residi | oasis festa, Í eee GJ/h Nu
    NÚMERO DA eme os pe Ds Da [5 [7 | ALIMENTAÇÃO ALIMENTAÇÃO |ALIMENTAÇÃO| = GÁS — |LIVREDE| GÁS CERRENTE DECO, | NOVOH: DONUTRIENTE| DEHO |RESIDUAL| CÉLULAS |RESIDUAL . Be us tao, | 366503 | 165E-02 | : eae PE a - ft e a uv a gs0E0s | atazos | lurientes [1 | rrço DO irao | | e ur Ra | an | | ema o | | cino acne] vv raço | - | essa O T(GRAUS O)
    NÚMERO DA A
    LINHA ANIDROSA QUEMOSSÍNTESE | DESTILAÇÃO e ie IEEE EE Ea burentes | Traço ro lo — cc 7raço | Traço | 7rAço | ana Pp lena aa cio acêrico| —- | - | 7rço | rrço Op leiomassa — | rrago [sã | ano | (GRAUS O) FIG. 4
    " 3H2+CO2 — 1/2C2H;OH+3/2H20 (Equilíbrio de Energia - TEEDecIcto - postess====>- Controlador i | MassaCelular A. Er Reciclada 1 Calor F í Qd ' Resídual = = RB: Biomassa Seca 28 Hyejdoaado — PALberação de Passa dá Lessa À E co 5 E jeéluta úmifiarsy | cela Destilação + é5) & | | lcadodelo cecentA 7 Remoção de 52 O reenms E ado Gês 8 Resíduos SE Bomba de 38 E&| caldo de Residual z E o combustão; NPK+, e etanol ffigendior 96% da E |refícerod ã qUiros. etanol] 2 Lrefigerador! , etanol E do rera aro EE afceçeddr fo% del E. | Tantos [8 N/ etanol|S5 Qd Sa ad Ez E Biorreator + Colheita ficas GJ/h =
    ENTRADA DE ENERGIA
    CALOR DO CALOR ENERGIA ENERGIA . |ONTO DE ENTRADA PROCESSO | RESIDUAL | QUÍMICA ELETRICIDADE TOTAL - BOMBA DE GÁS DE COMBUSTÃO [o Ta Da 7 BIORREATOR + COLHEITA O EE pestiAÇÃo + Remoção pe resípues | as | o [o ag | ENTRADA TOTAL aa a zo, |
    SAÍDA DE ENERGIA
    CALOR DO CALOR ENERGIA ENERGIA
    DI ONTODE BAÍA PROCESSO | RESIDUAL | Química |EIETRICIPADE| tora BOMBA DE GÁS DE COMBUSTÃO [o |] 7 le o | 7 | BIORREATOR + COLHEITA A NT Nr ECO pesTiAÇÃo + remoção ne resípues | o | as Po ag SAÍDA TOTAL ea a vao FIG. 5
    S Oxidante poemas]
    ' ta
    ! Fe t i Calor 3 i| Résidual Hoi Massa Celular id
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