ES2562073B2

ES2562073B2 - Selective bioconversion process of gases containing carbon monoxide, in ethanol, without accumulation of acetic acid

Info

Publication number: ES2562073B2
Application number: ES201400709A
Authority: ES
Inventors: Christian KENNES; María Del Carmen VEIGA BARBAZÁN; Haris NALAKATH ABUBACKAR
Original assignee: Universidade da Coruna
Current assignee: Universidade da Coruna
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2016-09-12
Anticipated expiration: 2034-09-02
Also published as: ES2562073A1

Abstract

La presente invención describe un bioproceso que permite la producción de bioetanol sin ninguna acumulación de ácido acético al final del proceso de bioconversión. El sustrato utilizado en la bioconversión contiene monóxido de carbono alimentado en continuo a un biorreactor. La conversión del sustrato en etanol, en ausencia de ácido acético al final del proceso, se consigue aportando tungsteno al biorreactor, en presencia o en ausencia total de vitaminas, y ajustando el pH durante la fermentación. El biorreactor contiene como biocatalizador una o varias bacterias del género Clostridium u otro género microbiano capaz de realizar la conversión del sustrato en etanol.The present invention describes a bioprocess that allows the production of bioethanol without any accumulation of acetic acid at the end of the bioconversion process. The substrate used in bioconversion contains carbon monoxide continuously fed to a bioreactor. The conversion of the substrate into ethanol, in the absence of acetic acid at the end of the process, is achieved by providing tungsten to the bioreactor, in the presence or in the total absence of vitamins, and by adjusting the pH during fermentation. The bioreactor contains as biocatalyst one or several bacteria of the genus Clostridium or other microbial genus capable of converting the substrate into ethanol.

Description

PROCEDIMIENTO DE BIOCONVERSIÓN SELECTIVA DE GASES OUE CONTIENEN MONOXIDO DE CARBONO. EN ETANOL. SIN ACUMULACIÓN DE ÁCIDO ACÉTICO OUE GAS SELECTIVE BIOCONVERSION PROCEDURE CONTAIN CARBON MONOXIDE. IN ETHANOL. WITHOUT ACETIC ACID ACCUMULATION

DESCRIPCIÓN CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención es un procedimiento que se aplica en el sector de la bioenergía y que pennite mejorar la producción de bioetanol a partir de contaminantes y de gas de síntesis. DESCRIPTION FIELD OF THE INVENTION The present invention is a process that is applied in the bioenergy sector and which aims to improve the production of bioethanol from pollutants and synthesis gas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La escasez cada vez mayor de combustibles fósiles, así como sus efectos negativos sobre el medio ambiente, obliga a buscar otras fuentes de energía u otros combustibles alternativos. El (bio)etanol es uno de estos combustibles alternativos. La producción de etanol es posible por vía (petro)química, mediante reacciones químicas a partir de compuestos como el etileno, o por vía biológica. La vía biológica pennite obtener bioetanol a partir de biomasa u otras fuentes renovables. La ventaja de la biomasa es precisamente su carácter renovable, a diferencia de los compuestos derivados del petróleo. La biomasa está formada por lignocelulosa. Después de unas etapas de pretratamiento e hidrólisis, los polisacáridos presentes en la lignocelulosa, son transformados en azucares simples. Estos últimos son posteriormente fermentables en etanol (van Groenestijn et al.. Bioethanol. In: Kennes C and Veiga MC (eds). Air Pollution Prevention and Control: Bioreactors and Bioenergy. J. Wiley. Chischester, UK, 2013, pp. 431·463, ISBN978'¡'119-94331·0). Sin embargo, la biomasa está formada principalmente por celulosa, hemicelulosa y lignina. La hidrólisis de la celulosa y de la hemicelulosa libera monosacáridos fermentables en etanol, pero los componentes de la lignina no pueden ser fermentados en etanol. BACKGROUND OF THE INVENTION The increasing scarcity of fossil fuels, as well as their negative effects on the environment, forces us to look for other sources of energy or other alternative fuels. (Bio) ethanol is one of these alternative fuels. The production of ethanol is possible by chemical (petro) route, by chemical reactions from compounds such as ethylene, or by biological route. The Pennite biological pathway obtain bioethanol from biomass or other renewable sources. The advantage of biomass is precisely its renewable character, unlike petroleum compounds. The biomass is formed by lignocellulose. After some stages of pretreatment and hydrolysis, the polysaccharides present in the lignocellulose are transformed into simple sugars. The latter are subsequently fermentable in ethanol (van Groenestijn et al. Bioethanol. In: Kennes C and Veiga MC (eds). Air Pollution Prevention and Control: Bioreactors and Bioenergy. J. Wiley. Chischester, UK, 2013, pp. 431 463, ISBN 978'119-94331 0). However, biomass consists mainly of cellulose, hemicellulose and lignin. Hydrolysis of cellulose and hemicellulose releases fermentable monosaccharides in ethanol, but lignin components cannot be fermented in ethanol.

Otra alternativa consiste en realizar una gasificación de la biomasa para obtener el llamado gas de síntesis. Una de las ventajas de esta tecnología es que tanto la celulosa y la hemicelulosa como la lignina se transfonnan en gases, que pueden ser utilizados por distintas bacterias para producir etanol. Another alternative is to perform a gasification of the biomass to obtain the so-called synthesis gas. One of the advantages of this technology is that both cellulose and hemicellulose and lignin are transfonted in gases, which can be used by different bacteria to produce ethanol.

El gas de síntesis es un.8 mezcla de monóxido de carbono, hidrógeno y dióxido de carbono, principalmente. Varios de estos gases se encuentran también en algunos efluentes industriales. Su obtención es también posible mediante gasificación de residuos u otros tipos de materias primas. Existen bacterias capaces de convertir el ce, pero también mezclas de ca, H2, yC02, en una mezcla de ácido acético y etanol, en condiciones anaerobias. Hay varios estudios que describen este proceso. En muchos casos, el principal producto es el ácido acético, con concentraciones menores de etanol. Desde hace pocos años, se están realizando estudios para intentar maximizar la producción de etanol y minimizar la fonnación de ácido acético. Hasta día de hoy, en la mayoría de los casos siempre hay fonnación de ambos productos, el etanol y el ácido acético. En la presente invención se produce etanol en ausencia total de acumulación de ácido acético al final del proceso de bioconversión, en un biorreactor con alimentación continua del sustrato. The synthesis gas is a mixture of 8 carbon monoxide, hydrogen and carbon dioxide, mainly. Several of these gases are also found in some industrial effluents. Its obtaining is also possible by gasification of waste or other types of raw materials. There are bacteria capable of converting ce, but also mixtures of ca, H2, and CO2, into a mixture of acetic acid and ethanol, under anaerobic conditions. There are several studies that describe this process. In many cases, the main product is acetic acid, with lower concentrations of ethanol. For a few years, studies are underway to try to maximize ethanol production and minimize the formation of acetic acid. Until today, in most cases there is always a combination of both products, ethanol and acetic acid. In the present invention, ethanol is produced in the total absence of acetic acid accumulation at the end of the bioconversion process, in a bioreactor with continuous feed of the substrate.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención pernlite obtener etanol por fermentación de un sustrato que contiene monóxido de carbono, en un biorreactor continuo, en ausencia de ácido acético al final del proceso, debido a la presencia de elementos químicos inorgánicos que incluyen el tungsteno y el ajuste del pH durante el proceso. El sustrato se alimenta de fonna continua al biorreactor, mientras que el medio nutritivo acuoso se introduce inicialmente en el sistema y se trata al final del proceso de conversión para separar el etanol de la mezcla acuosa. De forma alternativa, se puede alimentar una fase acuosa en continuo, con un bajo caudal, separando el etanol de la mezcla que sale del biorreactor. El medio nutritivo acuoso no necesita necesariamente la adición de una solución de vitaminas puras, ni necesita ser altamente reducido. El medio que se puede utilizar en el bioreactor tiene una composición típica para bacterias acidogénicas. No contiene carbohidratos. Un ejemplo de medio de que se puede utilizar es similar al descrito recientemente (Abubackar et al. Biological conversion of carbon monoxide to ethanol: Effect ofpH, gas pressure, reducing agent and yeast extraet, Bioresour. Technol., 2012, 114:518·522) y en el ejemplo más abajo; medio al cual se le añade tungsteno. Se mejora la productividad en etanol si además se modifica y ajusta el pH durante la fennentación. DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention allows ethanol to be obtained by fermentation of a substrate containing carbon monoxide, in a continuous bioreactor, in the absence of acetic acid at the end of the process, due to the presence of inorganic chemical elements that include tungsten and pH adjustment during the process. The substrate is fed continuously to the bioreactor, while the aqueous nutrient medium is initially introduced into the system and treated at the end of the conversion process to separate the ethanol from the aqueous mixture. Alternatively, a continuous aqueous phase can be fed with a low flow rate, separating the ethanol from the mixture leaving the bioreactor. The aqueous nutrient medium does not necessarily need the addition of a pure vitamin solution, nor does it need to be highly reduced. The medium that can be used in the bioreactor has a typical composition for acidogenic bacteria. It does not contain carbohydrates. An example of a medium that can be used is similar to that described recently (Abubackar et al. Biological conversion of carbon monoxide to ethanol: Effect of HP, gas pressure, reducing agent and yeast extraet, Bioresour. Technol., 2012, 114: 518 · 522) and in the example below; medium to which tungsten is added. The productivity in ethanol is improved if the pH is also modified and adjusted during the fencing.

La producción de etanol, sin acumulación final de ácido acético, se consigue mediante la adición de tungsteno (W) como único suplemento en el medio nutritivo. Adicionalmente, el ajuste del pH a 10 largo del proceso de fennentación permite mejorar la productividad en etanol de forma significativa. La concentración en tungsteno puede estar comprendida entre 14 rngWIL y 140 rngW/L, añadido en forma de Na204W.2H20 u otra forma similar. La omisión de tungsteno en el medio de cultivo resulta mayoritariamente en la formación de ácido acético, mientras que en presencia de este metal hay formación de etanol y ausencia de acwnulación de ácido acético al final del proceso de bioconversión. La ausencia de ácido acético al final del proceso se consigue mediante una modificación del pH (acidificación) que permite la conversión total del ácido acético formado al principio de la fermentación (a pH inicial más elevado) en etanol. Este proceso se puede repetir de forma cíclica. Efectivamente, si después de haber conseguido la transformación microbiana de la totalidad del ácido acético en etanol, se vuelve a aumentar el pH del medio de cultivo, habrá de nuevo formación de ácido acético a partir del sustrato que contiene ca. Posteriormente, un nuevo ajuste del pH (acidificación) resultara nuevamente en la conversión completa del ácido acético en etanol, con un aumento de la concentración total final en etanol comparado con el primer ciclo. El biorreactor puede ser un reactor con biomasa bacteriana en suspensión o un reactor con biomasa inmovilizada sobre un soporte. Una de las ventajas de la invención, a parte de la mayor producción de etanol, es que el proceso de separación del etanol de la fase acuosa es más fácil debido a la ausencia del ácido acético como producto secundario al final del proceso de bioconversión. Ethanol production, without final accumulation of acetic acid, is achieved by the addition of tungsten (W) as the only supplement in the nutrient medium. Additionally, adjusting the pH throughout the fencing process allows for a significant improvement in ethanol productivity. The tungsten concentration can be between 14 rWWIL and 140 rngW / L, added in the form of Na204W.2H20 or other similar form. The omission of tungsten in the culture medium results mostly in the formation of acetic acid, while in the presence of this metal there is ethanol formation and absence of acetic acid accumulation at the end of the bioconversion process. The absence of acetic acid at the end of the process is achieved by a modification of the pH (acidification) that allows the total conversion of the acetic acid formed at the beginning of the fermentation (at the highest initial pH) into ethanol. This process can be repeated cyclically. Indeed, if after having achieved the microbial transformation of all acetic acid in ethanol, the pH of the culture medium is increased again, acetic acid will be formed again from the substrate containing ca. Subsequently, a new pH adjustment (acidification) will again result in the complete conversion of acetic acid into ethanol, with an increase in the final total concentration in ethanol compared to the first cycle. The bioreactor can be a reactor with bacterial biomass in suspension or a reactor with biomass immobilized on a support. One of the advantages of the invention, apart from the increased production of ethanol, is that the process of separating ethanol from the aqueous phase is easier due to the absence of acetic acid as a secondary product at the end of the bioconversion process.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Figura 1-Formación de etanol y ausencia de acumulación de ácido acético, en presencia de tungsteno, mediante la bioconversión de monóxido de carbono por Clostridium autoethanogenum Figura 2-Formación de etanol y de ácido acético, en ausencia de tungsteno, mediante la bioconversión de monóxido de carbono por Clostridium autoethanogenum Figura 3-Formación de etanol y de ácido acético, en presencia de tungsteno, con pH inicial de 5,75, ajustado a pH 4,75 al cabo de 90 horas de fermentación en este ejemp10; lo cual resulta en la acumulación de etanol en ausencia total de ácido acético al final del proceso. DESCRIPTION OF THE FIGURES Figure 1-Formation of ethanol and absence of accumulation of acetic acid, in the presence of tungsten, by bioconversion of carbon monoxide by Clostridium autoethanogenum Figure 2-Formation of ethanol and acetic acid, in the absence of tungsten, by the bioconversion of carbon monoxide by Clostridium autoethanogenum Figure 3-Formation of ethanol and acetic acid, in the presence of tungsten, with an initial pH of 5.75, adjusted to pH 4.75 after 90 hours of fermentation in this specimen10; which results in the accumulation of ethanol in the total absence of acetic acid at the end of the process.

DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERENTE Ejemplo 1: Producción de etanol en un biorreactor de tanque agitado con biomasa bacteriana en suspensión y alimentación continua del sustrato. Se utiliza un biorreactor de tanque agitado con biomasa en suspensión. El medio que se introduce en el biorreactor, en este ejemplo, tiene la siguiente composición (por litro de agua destilada): NaCI, 0,90 g ; MgCI2 .6H20, 0,40 g ; KH2P04, 0,75 g ; K2HP04, 1,50 g; extracto de levadura, 0,5 g; cysteine.HCI , 0,75 g; FeCI3 .6 H20, 2,50 rng; resazurina, 0,50 rng; solución de micronutrientes SL-lO (según medio 320 de la DSMZ) lruL. Al medio se le añade tungsteno en forma de Na204W.2H20, con una concentración de W de 14 rng!L. Se ajusta el pH a 4,75. De forma alternativa, se puede ajustar el pH a valores por encima de 5,5, para posterionnente ajustarlo a un valor más bajo durante el proceso de bioconversión. Se inocula el biorreactor con un cultivo de Clostridium autoethanogenum (Abrini et al. Clostridium autoethanogenum, sp. nov., an anaerobic bacterium that produces ethanol from carbon monoxide, Archiv. Microbiol. 1994, 161:345-351). Se estima que la introducción del inoculo en el biorreactor aporta también trazas de tripticasa y de NH4CI «0.10 g/L, en cada caso), así como concentraciones residuales de ácido acético y/o etanol «O. I 5 giL, en cada caso). Se deja pasar nitrógeno durante unos minutos a través del sistema, para eliminar los restos de oxígeno y mantener condiciones anaerobias. Se alimenta monóxido de carbono puro, en continuo, con un caudal de 10 mL(CO)/L(reactor).min, en condiciones estériles. El pH del medio se mantiene constante de fonna automática, mediante la adición de DESCRIPTION OF A PREFERRED EMBODIMENT Example 1: Production of ethanol in a stirred tank bioreactor with bacterial biomass in suspension and continuous feed of the substrate. A stirred tank bioreactor with suspended biomass is used. The medium that is introduced into the bioreactor, in this example, has the following composition (per liter of distilled water): NaCI, 0.90 g; MgCl2 .6H20, 0.40 g; KH2P04, 0.75 g; K2HP04, 1.50 g; yeast extract, 0.5 g; cysteine.HCI, 0.75 g; FeCI3 .6 H20, 2.50 rng; resazurine, 0.50 rng; SL-10O micronutrient solution (according to medium 320 of the DSMZ) lruL. To the medium is added tungsten in the form of Na204W.2H20, with a concentration of W of 14 rng! L. The pH is adjusted to 4.75. Alternatively, the pH can be adjusted to values above 5.5, to subsequently adjust it to a lower value during the bioconversion process. The bioreactor is inoculated with a culture of Clostridium autoethanogenum (Abrini et al. Clostridium autoethanogenum, sp. Nov., An anaerobic bacterium that produces ethanol from carbon monoxide, Archiv. Microbiol. 1994, 161: 345-351). It is estimated that the introduction of the inoculum into the bioreactor also provides traces of tryptase and NH4CI "0.10 g / L, in each case), as well as residual concentrations of acetic acid and / or ethanol" O. I 5 giL, in each case). Nitrogen is allowed to pass through the system for a few minutes, to remove the remains of oxygen and maintain anaerobic conditions. Pure carbon monoxide is fed, continuously, with a flow rate of 10 mL (CO) / L (reactor) .min, under sterile conditions. The pH of the medium is kept constant automatically, by adding

NaOH o He!. NaOH or He !.

Las concentraciones de etanol y ácido acético en el medio se detenninan por cromatografia líquida, HPLC, y aparecen en la Fig. 1, para el medio que contiene W. La simple omisión de W en el medio conduce a la formación de ácido acético en concentraciones elevadas comparado con el etanol, como se puede ver en la Fig. 2. En la Fig. 3 se puede observar que en presencia de W, con un pH inicial de 5,75, The concentrations of ethanol and acetic acid in the medium are stopped by liquid chromatography, HPLC, and appear in Fig. 1, for the medium containing W. The simple omission of W in the medium leads to the formation of acetic acid in concentrations high compared to ethanol, as can be seen in Fig. 2. In Fig. 3 it can be seen that in the presence of W, with an initial pH of 5.75,

posteriormente reducido a pH 4,75, hay formación inicial de ácido acético y etanol, subsequently reduced to pH 4.75, there is initial formation of acetic acid and ethanol,

seguido posterionnente por la (bio)e1iminación natural del ácido acético mientras sigue followed subsequently by the (bio) natural elimination of acetic acid while continuing

aumentando la concentración en etanol. increasing the concentration in ethanol.

Claims

5 l. Procedure of ethanol production during the bioconversion of a substrate containing carbon monoxide and which allows to obtain ethanol without any accumulation of acetic acid, by adding tungsten to the medium.

2. Method according to claim 1 comprising the following steps:

10) Preparation of a culture medium for acetogenic bacteria, which contains tungsten, under anaerobic and sterile conditions, adjusting the pH to the appropriate value b) Inoculation of an acetogenic bacterial strain e) Continuous feeding of a gas containing monoxide of carbon or gas mixtures containing carbon monoxide

D) Separation of the product or products from the fennentation medium, at the end of the bioconversion process

3. Method according to claims 1 and 2, wherein the initial pH is adjusted above

from 5.5 to later reduce it to more acidic values 20

4. Method according to claims I and 2, wherein the initial pH is adjusted above 5.5, to subsequently reduce it to more acidic values, and repeat the process of varying the pH of cyclic fonna, eliminating acetic acid at low pH. and accumulating larger amounts of ethanol at that same low pH in each cycle.

5. Process according to claims 1, 2, 3 and 4, wherein the final products are ethanol and acetic acid, with a ratio (ethanol: acetic acid) between 10: 5 and 10: 0 at the end of the process.