ES2560553T3 - Procedimiento para la fermentación de biomasa - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la obtención de portadores de energía a partir de biomasa en un proceso de fermentación, caracterizado por que para fomentar la fermentación se añade al menos un alcaloide isoquinolínico.

Description

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DESCRIPCION

Procedimiento para la fermentacion de biomasa

La invencion se refiere a un procedimiento para la fermentacion de biomasa, especialmente un procedimiento para la fermentacion de biomasa para la obtencion de portadores de energfa, por ejemplo biogas, carburantes biogenicos, etc..

La generacion de ene^a, es decir corriente electrica, biogas tal como, por ejemplo, metano, carburantes biogenicos, respectivamente aditivos para carburantes tales como, por ejemplo, butanol o etanol, a partir de materias primas renovables tiene mundialmente un alto significado politico y economico y prioridad economica en muchos pafses, los cuales disponen de materias primas procedentes de la econoirna agraria, de la econoirna forestal o de la econoirna de los residuos. En la Union europea, en Norteamerica asf como en el Brasil se concede prioridad legal el empleo de biocombustible como componente de mezcla al combustible convencional, y la adicion de etanol o biodiesel al carburante convencional esta legalmente indicada. La energfa procedente del viento y del sol, asf como de la fermentacion de biomasa y la subsiguiente conversion en corriente electrica se incorpora en los sistemas energeticos. Ademas, el biogas se puede purificar y utilizar despues en las redes de distribucion de gas natural existentes para la generacion de calor o corriente o para el funcionamiento de vehnculos de motor.

En la fermentacion de sustratos vegetales tales como cereales, granos, hierbas, materiales fibrosos tales como materiales de madera, y sus componentes tales como albumina, almidon, sustancias de extraccion exentas de nitrogeno, celulosa, grasas, etc., de residuos descomponibles que contienen biomasa, tales como lodo de depuradora, basura organica o restos de comida, o procedentes de abonos de origen animal tales como estiercol lfquido, excrementos o purines, determinados microorganismos, como por ejemplo bacterias u hongos y sus enzimas, descomponen en medio aerobio o anaerobio esta biomasa a compuestos de cadenas cortas. Otros microorganismos (por ejemplo bacterias Metanobacter) estan en condiciones entonces de sintetizar, por ejemplo a partir de acidos grasos/acidos carboxflicos de cadena corta tales como acido acetico, gases ricos en energfa tales como metano, o alcoholes tales como etanol o butanol, etc.. Estos microorganismos se presentan en el caso ideal como cultivo puro en el fermentador. Sin embargo, en la practica van siempre acompanados de una flora bacteriana desfavorable, que limita la eficacia de la microflora favorable. Algunos de estos germenes no deseados, en el caso mas desfavorable pueden llegar a aniquilar incluso toda la fermentacion por rechazo o envenenamiento de la flora deseada y llevar a un fallo total del proceso.

Por lo tanto, existen intentos de mejorar la eficacia del proceso de fermentacion por adecuadas medidas. Por ejemplo, por intervencion en la alimentacion de los microorganismos se puede fomentar la deseada flora bacteriana en el fementador, se puede estimular su eficacia y minimizar a un mmimo el efecto perjudicial y la presencia de germenes no deseados.

Sing S. et al., Bioresource Technology, vol. 78 (2001): 313-316 describe la utilizacion de estimulantes en la fermentacion a biogas. Como estimulantes se emplean los productos “Aquasan” o “Teresan”. En este caso se trata de preparados de origen vegetal que contienen esteres esteroideos.

En cada proceso biologico tambien hay bacterias, levaduras y unicelulares no deseados que como nutrientes necesitan productos de degradacion de los aminoacidos, las denominadas aminas biogenicas, las cuales las obtienen por descarboxilacion enzimatica de aminoacidos tales como, por ejemplo, cadaverina por descarboxilacion de lisina o indol, respectivamente escatol por descarboxilacion de triptofano o fenilalanina. Estas aminas son sustancias venenosas, las cuales igualmente influyen negativamente sobre la deseada biologfa del fermentador o que incluso la pueden envenenar y llevar asf a un rechazo de la flora de microorganismos deseada en el fermentador. Por lo tanto, es importante contrarrestar por adecuadas intervenciones en la fermentacion o en su medio el efecto de tales organismos no deseados o inactivar en el fermentador sus descarboxilasas por adecuados inhibidores e interrumpir asf la formacion de aminas biogenicas ya al principio de esta cascada.

Expertos en la materia saben que la degradacion de almidon en el fermentador tiene lugar de forma relativamente rapida, especialmente cuando se trata de granos de almidon de patata o de cereales. Por el contrario, los granos de almidon del mafz se degradan por fermentacion a los acidos grasos/acidos carboxflicos de cadenas cortas de manera ya claramente mas lenta. Para que un fermentador funcione lo mas eficientemente posible el objetivo debe ser, sin embargo, optimizar la velocidad de la fermentacion para que en un tiempo dado, en el volumen existente del fermentador, transformar a ser posible mucha biomasa en sustancias energeticas. Por ello, para el aprovechamiento de la planta es decisiva especialmente la velocidad de fermentacion y que debena ser maximizada.

La degradacion de sustancias de extraccion exentas de N (NfE), de sustancias fibrosas tales como celulosa o fibra bruta, o la degradacion de materiales de madera tales como lignina a productos de degradacion ricos en energfa, los cuales estan a disposicion despues, por ejemplo para la smtesis de metano, transcurre por el contrario de manera mas lenta en comparacion con la degradacion de otros componentes de la biomasa, y determina el tiempo de permanencia del sustrato organico en el fermentador y, con ello, el aprovechamiento de toda la planta tecnica.

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Sin embargo, estas sustancias degradadas lentamente son, especialmente como carbohidratos de armazon, la parte determinate de la biomasa de tallos y hierbas suministradora de energfa, y determinan as^ el tiempo de permanencia total del sustrato en el fermentador. Ralentizan por lo tanto el proceso de fermentacion y hacen necesarios volumenes tecnicos mas amplios que lo que por motivos biologicos fuera necesario. Por otro lado, en la produccion de biogas precisamente a partir de estas sustancias se produce el deseado producto intermedio acetato, el cual es transformado despues eficientemente en metano. La velocidad de degradacion de estas sustancias de armazon a acetato es, por consiguiente, en muchos casos el factor limitante del rendimiento global en metano de un fermentador o de otros productos finales ricos en energfa tales como butanol o etanol, en una unidad de tiempo previamente dada.

Junto a la velocidad de degradacion de estos carbohidratos de armazon, la cual es una medida de la eficacia de la planta por tiempo, juega tambien un importante papel la degradacion total de estos carbohidratos de armazon, es decir la parte de carbohidratos de armazon que ha sido degradada al final de la fermentacion en comparacion con el resto, no fermentado, de sustancias de armazon que existe aun intacto

Por lo tanto, por adecuadas intervenciones en la fermentacion o por adicion de sustancias que estimulan la fermentacion de las sustancias de armazon, se tiene que acelerar por un lado la velocidad de degradacion de los carbohidratos de armazon y, por otro lado, se tiene que aumentar su degradacion global, la cual tambien es una medida del rendimiento en productos finales ricos en energfa, en relacion a la carga de carbohidratos de armazon, introducida

La presente invencion propone un procedimiento para la fermentacion de biomasa. El procedimiento se caracteriza conforme a la invencion por que como inductor de la fermentacion se anade al menos un alcaloide isoquinolmico.

Conforme a una forma de ejecucion de la invencion, se ha previsto un procedimiento para la produccion de biogas por fermentacion de biomasa, en el cual como inductor de fermentacion se anade al menos un alcaloide isoquinolmico.

Conforme a otra forma de ejecucion de la invencion se ha previsto un procedimiento para la produccion de combustible biogenico o aditivo de combustible por fermentacion de biomasa, en el cual como inductor de fermentacion se anade al menos un alcaloide isoquinolmico.

Es una ventaja de la invencion que en las plantas agncolas, comunales o industriales para la generacion de biogas o de combustibles biogenicos o aditivos de combustibles por fermentacion de biomasa se puedan acelerar y estabilizar los transcursos de la fermentacion.

En los procedimientos citados anteriormente se puede emplear, ademas, como inductor de fermentacion una levadura viva, preferentemente Saccharomyces cerevisiae NCAIM 001126. Las levaduras vivas tales como Saccharomyces cerevisiae fomentan en sistemas anaerobios la degradacion del acido lactico e impiden asf una cafda del valor del pH, que podna aniquilar la fermentacion. Ademas, transforman el oxfgeno no deseado en dioxido de carbono y aseguran asf las condiciones anaerobias, de manera que se fomentan las bacterias anaerobias que determinan la fermentacion, y el proceso deseado se estabiliza y se estimula.

La dosificacion de levadura viva puede variar en un amplio intervalo. Por ejemplo, bajo circunstancias desfavorables, es decir circunstancias enemigas de la reproduccion de la levadura viva, se utiliza una dosis elevada. La dosificacion se situa preferentemente en el intervalo de 1 a 500 g por tonelada de sustancia seca de la biomasa utilizada.

La levadura viva, por ejemplo Saccharomyces cerevisiae NCAIM 00112, se puede presentar en forma de polvo, como lfquido o como pasta. Se dispone en el recinto de fermentacion al mismo tiempo que la biomasa o separado de ella.

Conforme a la invencion, los alcaloides isoquinolmicos anadidos para fomentar la fermentacion se seleccionan preferentemente de alcaloides de protopina, alcaloides de benzofenantridina o sus mezclas. Los alcaloides pueden ser de origen natural y/o sintetico. Se pueden utilizar en forma de componentes vegetales o de zumo prensado de vegetales. Los alcaloides se pueden utilizar tambien como extractos de materiales vegetales. Los extractos utilizables en el procedimiento conforme a la invencion se pueden preparar por cualquier procedimiento conocido, y se pueden emplear, por ejemplo, extractos acuosos y/o alcoholicos y/o extractos de CO2. Los alcaloides se pueden utilizar tambien en forma de sales.

Los alcaloides utilizados como fomentadores de fermentacion pueden proceder por ejemplo de Papaveraceae. Como ejemplos de Papaveraceae adecuadas se pueden citar Macleaya cordata, Sanguinaria canadensis, Chelidonium majus, etc.. Como ejemplos de alcaloides adecuados se pueden citar sanguinarina, sus formas hidroxiladas, queleritrina y sus formas hidroxiladas, quelidonina, quelirubina, sanguirubina, quelilutina, sanguilutina, protopina, a-alocriptopina, etc..

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Naturalmente, se pueden utilizar mezclas arbitrarias de alcaloides sinteticos, alcaloides de origen natural, extractos de materiales vegetales, sales de alcaloides, materiales vegetales que contienen alcaloides y los zumos exprimidos de vegetales que contienen alcaloides.

Los alcaloides se pueden presentar en diferentes preparados, por ejemplo como lfquido, como preparado pulverulento, como granulado o como gel. El preparado que contiene alcaloide se anade a la biomasa respectivamente en forma adecuada, de manera que se garantice una mezcladura homogenea.

La cantidad de alcaloide empleada esta limitada hacia abajo unicamente por la eficacia de los alcaloides. La cantidad total de alcaloide referida a la sustancia seca de la biomasa se situa preferentemente en el intervalo de 0,1 a 500 ppm (= 0,1 a 500 g de alcaloide por tonelada de masa seca del sustrato de fermentacion).

En el procedimiento citado anteriormente se puede emplear, ademas, como fomentador de fermentacion un complejo enzimatico que contenga al menos una polisacaridasa. Como ejemplos de polisacaridasas se pueden citar p-glucanasa, celulasa, xilanasa, amilasa, glucosidasa, galactosidasa, pectinasa, quitinasa, lisozima, alginato-liasa, amiloglucosidasa, arabinasa, hemicelulasa, etc.. El complejo enzimatico puede contener, ademas, por ejemplo proteasas y lipasas. Un ejemplo particularmente preferido de un complejo enzimatico de este tipo contiene p- glucanasa, asf como proteasas y lipasas.

Las polisacaridasas contenidas en este fomentador de fermentacion pueden ser producidas por diferentes bacterias y levaduras. Como ejemplo, se pueden citar levaduras del genero Thermomyces lanuginosus. Las polisacaridasas pueden ser producidas tambien por microorganismos modificados por tecnicas geneticas.

La dosificacion del complejo enzimatico que contiene polisacaridasa puede variar en un amplio intervalo. La cantidad de polisacaridasa se situa preferentemente en el intervalo de 1 a 500 g por cada tonelada de sustancia seca de biomasa.

El complejo enzimatico que contiene polisacaridasa se puede presentar en forma de polvo, como lfquido o como pasta. Se dispone en el recinto de descomposicion al mismo tiempo que la biomasa aportada o separado de ella.

A la fermentacion se puede anadir una combinacion de una levadura viva, preferentemente Sacharomyces cerevisiae NCAIM 001126, un complejo enzimatico que contenga al menos una polisacaridasa y al menos un alcaloide de protopina y/o un alcaloide de benzofenantridina. Un complejo enzimatico particularmente preferido contiene p-glucanasa y celulasa, asf como proteasas y lipasas. En una forma de ejecucion preferida de la fermentacion de biomasa la combinacion fomentadora de la fermentacion se anade en una cantidad en el intervalo de 1 a 500 ppm, referida a la sustancia seca de biomasa.

Los fomentadores de la fermentacion utilizados conforme a la invencion se emplean preferentemente para fermentaciones en un intervalo de temperaturas de 15 a 80°C.

La biomasa utilizable como sustrato en el procedimiento conforme a la invencion puede estar constituida por productos agncolas, respectivamente por vegetales energeticos cultivados de forma preestablecida tales como cereales, hierbas, trebol, alfalfa, ensilado de mafz, centeno verde, nabos, colza, paja, pulpa de madera, etc.. o por residuos descomponibles que contengan biomasa tales como lodo de depuradora, desperdicios industriales, residuos biologicos, restos de comida, etc., y abonos de origen animal tales como estiercol lfquido, excrementos, purines, etc.. Se pueden utilizar mezclas de diferentes materiales de partida.

El sustrato se desintegra en una primera fase del proceso de fermentacion, la cual se denomina tambien hidrolisis. A esto le sigue la descomposicion por los microorganismos designados como ”fermentos”, especialmente bacterias (por ejemplo bacterias que escinden las grasas, bacterias acidogenicas, bacterias acetogenicas) que facultativamente son anaerobias. Los productos tecnicamente relevantes de esta descomposicion son sobre todo alcoholes (por ejemplo metanol, etanol, 1,3-propanodiol) y acidos (por ejemplo acido acetico, acido lactico, acido butmco, acido propionico). El alcohol obtenido, especialmente el denominado bioetanol, se puede utilizar por ejemplo como carburante o aditivo de carburante.

A la descomposicion puede seguir otra etapa que obligatoriamente es anaerobia, y en la cual a partir de los sustratos metanogenicos obtenidos en una primera etapa de descomposicion, con ayuda de microorganismos (por ejemplo bacterias acetogenicas, formadoras de metano) se obtiene como producto final el biogas, metano.

El procedimiento para la fermentacion de biomasa bajo adicion de los fomentadores de la fermentacion conforme a la presente invencion se puede llevar a cabo tanto en plantas de alimentacion discontinua (por ejemplo, procedimientos por lotes o procedimientos con cambio de recipientes) como tambien en plantas con alimentacion casi continua o continua (por ejemplo procedimientos de flujo, procedimientos de almacenamiento o procedimientos combinados de flujo-almacenamiento), asf como, por ejemplo, procedimientos de descomposicion en seco, procedimientos de contenedor, procedimiento de flujo de piston (plug flow), fermentadores de cajas, etc..

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En todos los casos, las ventajas del procedimiento conforme a la invencion se encuentran en que se acelere tanto la velocidad de fermentacion de la biomasa y, as^ la capacidad de un fermentador, como que tambien aumente significativamente la degradacion total de la sustancia organica para dar el producto de fermentacion. El procedimiento conforme a la invencion conduce a que,

a) mejora la composicion de la populacion de microorganismos a favor de la flora de microorganismos deseada para la respectiva fermentacion,

b) se incrementa claramente la produccion del deseado acetato,

c) se incrementa significativamente el rendimiento total en producto final (biogas, tal como metano, alcohol tal como etanol, butanol, etc.),

d) se reduce la degradacion de aminoacidos del material de fermentacion a aminas biogenicas enemigas de la fermentacion, no deseadas,

e) estimula la flora bacteriana deseada en el fermentador y disminuye la flora bacteriana no deseada,

f) se puede influir de forma preestablecida sobre el proceso de fermentacion, de manera que se optimicen las condiciones del medio (valor del pH, contenido de sal, abastecimiento de nutrientes, etc.) para los microorganismos que participan en la conversion,

g) influye positivamente sobre la velocidad de fermentacion de almidon y materiales fibrosos e incrementa asf la capacidad y aprovechamiento del fermentador,

h) sube el rendimiento total en gas rico en energfa o en productos lfquidos por unidad de sustrato aportada respectivamente,

i) por la fermentacion mas homogenea a lo largo del eje del tiempo se estabiliza tambien el valor del pH en el fermentador y el rendimiento en producto se incrementa y su transcurso a lo largo del tiempo es mas estable, es decir tiene lugar sin grandes oscilaciones,

j) con ello, la planta para la generacion de energfa (maquina dinamica) pueda funcionar con mayor aprovechamiento o/y de forma mas homogenea y rentable,

k) con ello, el funcionamiento de las plantas de biogas o plantas para la produccion fermentativa de fuentes de energfa lfquidas tales como etanol, butanol, etc. tienen razon de ser tambien bajo puntos de vista mas cnticos o de rentabilidad.

A continuacion, con ayuda de ejemplos se expondra con mas detalle la invencion.

EJEMPLOS Ejemplo 1:

Utilizacion de alcaloides isoquinolinicos como fomentadores de fermentacion

Los ensayos llevados a cabo por el inventor de la presente invencion para la obtencion de biogas, respectivamente alcoholes, por fermentacion de biomasa en los denominados fermentadores de piston han puesto de manifiesto que la adicion de alcaloides isoquinolinicos, especialmente alcaloides de protopina y/o alcaloides de benzofenantridina, estimulan la populacion de bacterias para la fermentacion a favor de los microorganismos deseados. Los alcaloides disminuyen la produccion de microorganismos formadores de acido butmco, no deseado, y estabilizan asf el proceso de fermentacion, lo que redunda de nuevo positivamente sobre la actividad de los formadores de acetato y metano. Esto lleva a una degradacion global, incrementada, de la masa organica empleada como sustrato a acidos grasos/acidos carboxflicos de cadena corta ricos en energfa, los cuales despues, por ejemplo en la planta de biogas, estan disponibles para la generacion de metano. Con ello se obtiene en total un rendimiento energetico incrementado.

En funcion de la dosis de los alcaloides se consiguio la siguiente mejora del rendimiento en gas:

Condiciones de ensayo:

Incubacion en el fermentador de piston, armario termico con mecanismo de agitacion continua. 3 dosificaciones, 3 repeticiones por dosificacion. Rendimiento espedfico en gas en Nm3/kg de oTS (oTS = sustancia organica seca).

Biomasa fermentada: cereales, mafz, estiercol lfquido y excrementos del ganado

Microorganismos: se utilizo la flora mixta de un reactor de biogas de funcionamiento optimo, la cual se compone de aproximadamente 200 cepas microbianas individuales, protozoos, bacterias, levaduras y hongos.

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Alcaloides: sanguinarina y queleritrina. Concentracion global de los alcaloides en la mezcla previa de alcaloides empleada como fomentador de fermentacion: 3%.

Condiciones de la fermentacion: anaerobia, 40°C, presion normal del aire.

Dfas de fermentacion

1 5 10 15 20 25 30 35

Rendimiento en gas con alcaloides de benzofenantridina

0,05 0,31 0,52 0,59 0,63 0,64 0,65 0,66

Rendimiento en gas control

0,05 0,27 0,45 0,55 0,6 0,61 0,62 0,63

Diferencia absoluta

0 0,04 0,07 0,04 0,03 0,03 0,03 0,03

Diferencia en %

0 15% 16% 7% 5% 5% 5% 5%

Se aprecia que la adicion de alcaloides de benzofenantridina en forma de una mezcla previa al 3% con la dosificacion de la mezcla previa de 1, 10 y 100 ppm incrementa respectivamente el rendimiento en gas en los primeros 15 dfas en 10 a 15% en comparacion con el medio de control y en el dfa 20 se alcanza ya el maximo rendimiento rentable en gas. El grupo de control no alcanza nunca este rendimiento en gas en el transcurso del ensayo. La diferencia a favor del fomentador de fermentacion que contiene alcaloides conforme a la invencion, es hasta el final del ensayo 5%. La duracion del ensayo corresponde aproximadamente al marco temporal de la fermentacion en grandes fermentadores practicos. Por lo tanto, estos resultados son relevantes en la practica y factibles.

Por lo tanto, por la adicion de alcaloides de benzofenantridina se puede incrementar el rendimiento global en gas al final del transcurso de la fermentacion en al menos 5%, el rendimiento en los 15 primeros dfas era incluso 15 a 16% mayor, lo que apunta a una estimulacion de la velocidad de fermentacion por una actividad bacteriana mas eficiente. Pero tambien se puede reducir el tiempo de permanencia del sustrato en el fermentador en 30% del tiempo, y ciertamente con igual rendimiento en productos de degradacion ricos en energfa, tales como acetato o biogas o etanol, etc., es decir que se puede aportar al fermentador en el mismo espacio de tiempo 30% mas de masa organica y transformarla a productos deseados e incrementar asf la masa fermentada y el rendimiento en productos en los primeros 18 dfas de fermentacion en 30% o, en caso de una inversion nueva, planificar el fermentador un 30% mas pequeno y, aun asf, transformar la misma cantidad de biomasa en producto (= metano rico en energfa) e incrementar asf drasticamente la eficiencia de la inversion.

Ensayo analogos con otros alcaloides de protopina y/o de benzofenantridina proporcionaron resultados comparables.

Ejemplo 2 (ejemplo comparativo):

Utilizacion de un complejo enzimatico que contiene al menos una polisacaridasa como fomentador de fermentacion

Los procesos de fermentacion son procesos multifuncionales y en el proceso intervienen los factores mas diferentes, especialmente en el proceso de la fermentacion de componentes fibrosos. Puesto que la flora bacteriana del fermentador esta expuesta a continuas oscilaciones en cuanto a su composicion, clase, densidad en el medio (KBE/g = unidades de colonias que lo forman/g) etc., su produccion de enzimas para la degradacion del sustrato organico esta sujeta tambien a oscilaciones diarias, anuales o climaticas. Por este motivo, el fermentador, en virtud de su produccion microbiana de enzimas degradantes de fibra continuamente suboptima, no puede ser aprovechado nunca hasta su lfmite de capacidad. Los fallos y las oscilaciones en el aporte del sustrato tienen igualmente una gran influencia. Esto puede afectar la calidad del sustrato, la temperatura, la hora del dfa, pero tambien las sustancias extranas, sustancias nocivas, contenido de agua, etc..

Por lo tanto, como fomentador de la fermentacion se anade un complejo enzimatico para la desintegracion preestablecida de los componentes fibrosos. En este caso se consideran especialmente las enzimas que mejoran la degradacion de sustratos diffcilmente degradables tal como es sobre todo la fraccion de lignina y fibras en bruto del sustrato. Por ello, se puede incrementar el rendimiento global del deseado gas o de los lfquidos ricos en energfa, y el transcurso de la fermentacion se puede hacer mas constante y elevarla a un nivel mas efectivo.

El complejo enzimatico anadido como fomentador de la fermentacion contiene al menos una polisacaridasa. Por ello, mejora significativamente la digestibilidad y el grado de aprovechamiento global de los carbohidratos de armazon tales como celulosa, lignina o NfE (sustancias de extraccion exentas de N). Puesto que en las plantas de fermentacion para la produccion de biogas o carburantes biogenicos estos carbohidratos son habitualmente un componente esencial de la biomasa empleada, es importante un aprovechamiento eficiente de estos materiales fibrosos para que estas plantas funcionen de forma rentable y para optimizar el aprovechamiento de estas materias primas.

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Ensayos del inventor de la presente invencion con un fermentador para la generacion de biogas utilizando un complejo enzimatico que contiene al menos una polisacaridasa mostraron efectos acusadamente positivos en cuanto a que la degradacion global de los carbohidratos de armazon y la velocidad de la degradacion de estos sustratos mejoraron significativamente.

Condiciones del ensayo:

Incubacion en el fermentador de piston. 3 dosificaciones, 3 repeticiones por dosificacion. Rendimiento espedfico en gas en Nm3/kg de oTS (oTS = sustancia organica seca).

Biomasa fermentada: cereales, heno, hierba, maz, estiercol lfquido.

Microorganismos: populacion mixta habitual de un fermentador de biogas. Se utilizo la flora mixta de un fermentador con funcionamiento optimo, la cual se compone de aproximadamente 200 cepas microbianas individuales, protozoos, bacterias, levaduras y hongos.

Fomentadores de fermentacion: el complejo enzimatico anadido, el cual se debe designar aqu como fermento Rumi contiene p-glucanasa y celulasa, asf como proteasas y lipasas.

Condiciones de la fermentacion: anaerobia, 40°C, presion normal del aire.

Dfas de fermentacion

1 5 10 15 20 25 30 35

Rendimiento en gas con complejo enzimatico

0,05 0,3 0,52 0,6 0,64 0,65 0,66 0,66

Control del rendimiento en gas

0,05 0,25 0,45 0,55 0,6 0,62 0,62 0,63

Diferencia absoluta

0 0,05 0,07 0,05 0,04 0,03 0,04 0,03

Diferencia en %

0 20% 16% 9% 6% 5% 6% 5%

Con la adicion del complejo enzimatico que contiene polisacaridasa se pudo modificar positivamente tanto la generacion de gas en los primeros 15 dfas de fermentacion como tambien se pudo incrementar significativamente el rendimiento global en biomasa, a saber en 5%. La polisacaridasa mejora por lo tanto significativamente el aprovechamiento de los carbohidratos de armazon tales como celulasa o fibra de madera, lo que provoca una mayor formacion de acetato, el cual se puede transformar despues por los productores de metano en el deseado biogas metano.

Esto tiene la mayor utilidad economica especialmente en todas las plantas que utilizan como sustrato material vegetal rico en fibras tal como ensilado de mafz, ensilado de plantas enteras (GPS) de cereal, ensilado de hierba, pulpa de nabos, remolacha azucarera, paja de todo tipo, materiales de madera, carrizal, residuos de materiales verdes procedentes de cortes de cesped o de prados.

Ejemplo 3 (ejemplo comparativo):

Utilizacion de levaduras vivas como fomentador de fermentacion en el ejemplo de Saccharomyces cerevisiae NCAIM 001126

La fermentacion de biomasa a acidos grasos/acidos carboxflicos de cadena corta, disponibles despues para la metanogenesis, funciona tanto mas eficientemente cuanto mas optimo sea el valor del pH en el sistema y cuanto mejor alejado del sistema se pueda mantener el oxfgeno del aire.

Sin embargo, por el aporte diario de biomasa en el fermentador, con la voluminosa biomasa y su entremezclado en el mezclador de entrada, se introduce dfa a dfa mucho oxfgeno nuevo en la fermentacion, lo que puede llevar a descomposiciones defectuosas y al desarrollo de germenes no deseados.

Por el aporte de carbohidratos de facil digestion, tales como cereales o ensilado de mafz o ensilado de mazorcas de mafz se introduce una considerable cantidad de acido lactico (lactato) que podna reducir el valor del pH drasticamente y, asf, llegar a aniquilar la fermentacion. Celulas de levaduras vivas fomentan y estimulan de forma conocida el metabolismo del acido lactico por bacterias tales como Streptococcus bovis para dar hidrogeno y carbono y evitan asf que el acido lactico, enriquecido como acido de efecto fuerte, disminuya peligrosamente el valor del pH.

Ademas, las celulas de levaduras vivas necesitan oxfgeno y pueden liberar dioxido de carbono. En un ensayo llevado a cabo por el inventor de la presenta invencion se anadio por lo tanto a la fermentacion una cepa seleccionada de una levadura viva, a saber Saccharomyces cerevisiae NCAIM 001126. Se puso de manifiesto que esta clase, por su consumo continuo de oxfgeno y la degradacion del acido lactico fomentado por ella, estabilizan el valor del pH en el fermentador y estabilizan y mejoran la fermentacion.

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Condiciones de ensayo:

Incubacion en el fermentador de piston. 3 dosificaciones, 3 repeticiones por dosificacion. Rendimiento espedfico en gas en Nm3/kg de oTS (oTS = sustancia organica seca).

Biomasa fermentada: como en el ejemplo 1, respectivamente 2

Microorganismos: se utilizo la flora mixta de un reactor de biogas de funcionamiento optimo, la cual se compone de aproximadamente 200 cepas microbianas individuales, protozoos, bacterias, levaduras y hongos.

Condiciones de la fermentacion: anaerobia, 40°C, presion normal del aire.

Dfas de fermentacion

1 3 5 8 10

Rendimiento en gas con Saccharomyces cerevisiae

0,05 0,22 0,30 0,48 0,50

Control del rendimiento en gas

0,05 0,20 0,26 0,40 0,46

Diferencia absoluta

0 0,02 0,04 0,08 0,04

Diferencia en %

0 10% 15% 20% 9%

El ensayo se llevo a cabo en un sistema estacionario (fermentador de piston) al cual solo al comienzo del ensayo se aporto oxfgeno y que a continuacion se cerro de forma estanca al oxfgeno. Asf se pudo simular el consumo de oxfgeno por la levadura directamente despues del aporte de la biomasa y mostrar la actividad de la generacion de gas.

Se pudo mostrar que la cepa especialmente seleccionada Saccharomyces cerevisiae NCAIM 001126 incrementa significativamente tanto la velocidad de la fermentacion como tambien el rendimiento global de producto en forma de gas. Se puede utilizar naturalmente cualquier otra cepa de levadura cuya propiedad caractenstica sea el consumo de oxfgeno y/o el fomentar la degradacion del acido lactico.

Ejemplo 4:

Adicion de una combinacion de alcaloides de benzofenatridina + compleio enzimatico que contiene polisacaridasa + Saccharomyces cerevisiae NCAIM 001126

Para examinar los efectos sinergfsticos de la adicion de varios fomentadores de fermentacion, se empleo la siguiente combinacion:

- sanguinarina y quelitrina, concentracion global de los alcaloides en la mezcla previa de alcaloides: 3%.

- p-glucanasa y celulasa, asf como proteasas y lipasas,

- Saccharomyces cerevisiae NCAIM 001126.

En un funcionamiento practico se aplico el siguiente ensayo:

Al comienzo del ensayo el fermentador estaba repleto con sustrato estandar sin la mencionada combinacion para fomentar la fermentacion. El sustrato estandar era una mezcla de biomasa de ensilado de mafz, excrementos, ensilado de hierba, cereales, etc.

La combinacion para fomentar la fermentacion se dosifico mas alta en la primera semana para que el fermentador (2 veces respectivamente 1206 metros cubicos de digestor) alcanzara rapidamente una concentracion deseada de los productos deseados por metro cubico.

Como dosificacion de los respectivos productos se eligio aquella que en los ensayos en el fermentador de piston habfa obtenido los mejores resultados. Esta era 30 g de la mezcla previa de alcaloides por tonelada de masa seca, 50 g del complejo enzimatico y 50 g de la cepa de levadura Saccharomyces cerevisiae NCAIM 001126. Despues de un tiempo de 8 semanas se optimizo la relacion de mezcladura segun puntos de vista economicos.

La planta tuvo un excelente rendimiento. Asf, la produccion de energfa a partir de biomasa por tonelada de masa seca de biomasa se situa aproximadamente 30% mas alta que el valor teorico segun datos tecnicos y a un nivel maximo de 98 a 99% de aprovechamiento de la dinamo electrica. Por lo tanto, no cabfa esperar aqrn ningun incremento mas por la combinacion utilizada conforme a la invencion. Sin embargo, puesto que los costes de la biomasa constituyen mas del 80% de los costes de la planta, sena deseable economicamente si con menos entrada de biomasa se pudiese producir aun la misma cantidad de gas, respectivamente de corriente electrica.

Ejemplo 5:

Procedimiento de ensayo de practica en una planta de biogas de 500 -kw el.: Planta de biogas:

Contenedor de descomposicion 2 x 1206 m3 5 Tipo: procedimiento de flujo

1 contenedor de descomposicion posterior de 2280 m3 Dinamo electrica : 2 x 250 kw el.

Zona de temperature: mesofila, 43°C Empleo de sustrato al comienzo:

Sustrato

Masa fresca [en t] Masa seca [en %]

Ensilado de mafz

21 30

Estiercol lfquido vacuno

1,4 28

Cereal Triticale, de rechazo

0,5 86

10

Fomentador de la fermentacion:

Una combinacion de 50 g de la mezcla previa de alcaloides utilizada en el Ejemplo 4, 50 g del complejo enzimatico utilizado en el Ejemplo 4 y 30 g de la cepa de levaduras Saccharomyces cerevisiae NCAIM 001126 por tonelada de masa seca de biomasa a fermentar.

15 Aplicacion:

1 semana con dosificacion elevada como tiempo previo: 1,5 g de la mezcla de ensayo por cada Kw de potencia electrica y dfa

1 semana de tiempo de adaptacion: 1,5 g

12 semanas de tiempo de ensayo: 1 g de la mezcla de ensayo por cada Kw de potencia electrica y dfa

20 La combinacion utilizada proporciono los siguientes resultados en la planta que ya con anterioridad funcionaba de forma optima:

La mezcla de ensayo se empleo a partir del 3er mes. El 2° mes sirvio como magnitud comparativa para la evaluacion.

Kilovatio de energfa electrica suministrada por dfa

KTBL nominal Real Mayor rendimiento de la invencion Acetato mg/ml

de la biomasa aportada

Mes 1, dfa 1

8500 10900 1400 no empleado 1500

Mes 1, dfa 15

8500 10000 1500 no empleado 1400

Mes 2 dfa 1

8500 10900 2400 no empleado 1500

Mes 2

8200 10700 2500 no empleado 1500

5

10

15

20

25

30

Comienzo del empleo de la mezcla de ensayo

Mes 3, 1a mitad

8200 11500 3300 + 700 1300

Mes 3, 2a mitad

8000 11000 3000 + 400 1500

Mes 4, ia mitad

8000 11000 3000 + 400 1800

Mes 4, 2a mitad

8000 11500 3500 + 900 2000

La tabla muestra que la planta de ensayo ofrece un excelente rendimiento, el cual al comienzo del ensayo se situa en 32% por encima del rendimiento de plantas comparables para la misma masa de biomasa. Con ayuda de la combinacion utilizada es incluso posible ampliar aun mas este mayor rendimiento a 38% de mayor rendimiento (3000 hasta 3500 Kw/d) en comparacion con el funcionamiento estandar KTBL (Asociacion para Tecnologfa y Estructuras en la Agricultura).

La fermentacion de biomasa para la generacion de biogas en forma de metano depende fuertemente de una suficiente produccion de acetato, el cual se forma por la fermentacion de la biomasa por bacterias formadoras de acetato. Pero en este caso tambien el valor del pH del sistema global juega un papel esencial.

Por la combinacion utilizada se pudo incrementar un 20 a 30% la produccion de acetato despues de que la flora de microorganismos se hubo adaptado a esta combinacion, lo que de nuevo es la premisa fundamental para una mayor generacion de metano.

La adicion de la combinacion empleada, constituida por una mezcla de alcaloides de benzofenatridina + complejo enzimatico que contiene polisacaridasa + Saccharomyces cerevisiae NCAIM 001126, para la fermentacion de biomasa tiene la ventaja de que

- la velocidad de la fermentacion de la biomasa a gases o lfquidos ricos en energfa se fomenta precisamente en los primeros dfas de la fermentacion,

- el tiempo requerido para una explotacion rentable de la biomasa se reduce en 30%,

- el parametro de fermentacion esencial, acetato, se incrementa en 20 a 30%,

- se mejora el aprovechamiento de los carbohidratos organicamente ligados,

- se pueden ahorrar 5% de biomasa para el mismo rendimiento,

- con el mismo aporte de biomasa se pueden obtener 8 a 10% mas de energfa aprovechable (biogas tal como metano, electricidad, carburantes biogenicos tales como alcoholes, calor, etc.),

- mejora la rentabilidad de las plantas de biofermentacion,

- se puede aportar una elevada contribucion para desactivar a la competencia por la utilizacion de la biomasa entre la produccion de alimentos y la produccion de energfa.

A las plantas de biogas hay que contar tanto las plantas que funcionan segun la EEG vigente (ley para las energfas renovables) como tambien las plantas que no funcionan segun la EEG vigente. Junto a esto, el procedimiento conforme a la invencion se puede emplear tambien para la produccion a gran escala de carburantes biogenicos, respectivamente aditivos para carburantes tales como etanol, butanol u otros con la misma finalidad.

Junto al empleo en plantas para la produccion de biogas, respectivamente carburantes biogenicos /aditivos para carburantes, el procedimiento conforme a la invencion se puede aplicar tambien en plantas depuradoras de aguas residuales, asf como en plantas para el tratamiento de residuos.

Claims (10)

1. 10

   15

   20

   REIVINDICACIONES

   1. Procedimiento para la obtencion de portadores de ene^a a partir de biomasa en un proceso de fermentacion, caracterizado porque para fomentar la fermentacion se anade al menos un alcaloide isoquinolmico.
2. 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado porque los alcaloides isoquinolmicos se seleccionan de los alcaloides de protopina, alcaloides de benzofenantridina o sus mezclas.
3. 3. Procedimiento segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado por que los alcaloides son de origen natural y/o sintetico.
4. 4. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que los alcaloides se anaden en forma de componentes de plantas, zumo de plantas, extractos de materiales vegetales, en forma de sus sales, como alcaloides sinteticos o de mezclas de estos.
5. 5. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que los alcaloides proceden de Papaveraceae.
6. 6. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la cantidad global de alcaloides se situa en el intervalo de 0,1 a 500 ppm, referido a la sustancia seca de la biomasa utilizada.
7. 7. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que el portador de energfa obtenido es biogas.
8. 8. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que el portador de energfa obtenido es un carburante biogenico lfquido o un aditivo para carburante.
9. 9. Utilizacion de al menos un alcaloide isoquinolmico como aditivo de fermentacion, inductor de la fermentacion, en el caso de la fermentacion de biomasa para la obtencion de portadores de energfa.
10. 10. Utilizacion segun la reivindicacion 9, caracterizado por que el alcaloide isoquinolmico se selecciona de los alcaloides de benzofenantridina, alcaloides de protopina y sus mezclas.