ES2647771T3 - Fermentación en ecosistemas gestionados (FEG) con rumen y una fuente de nitrógeno - Google Patents

Fermentación en ecosistemas gestionados (FEG) con rumen y una fuente de nitrógeno Download PDF

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Abstract

Un método ex vivo de generación de recursos a partir de materias primas, comprendiendo el método: (a) fermentar una materia prima orgánica que comprende residuos de cocina o lodos de aguas residuales con un rumen o material de rumen tomado de un animal rumiante para generar un recurso, y (b) añadir al menos una sustancia capaz de ser utilizada como fuente de nitrógeno en la fermentación, en el que la sustancia está seleccionada del grupo que consiste en amoniaco, urea, aminoácidos y aminas, y combinaciones de los mismos.

Description

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DESCRIPCION
Fermentación en ecosistemas gestionados (FEG) con rumen y una fuente de nitrógeno Campo técnico
La materia actualmente desvelada se refiere a un proceso para la fermentación en ecosistemas gestionados (FEG) de materias primas orgánicas para producir productos químicos industriales y productos de biomasa.
Antecedentes
Los ecosistemas microbianos se encuentran naturalmente en muchos sitios, que incluyen los tubos digestivos de la mayoría de los animales. El punto de partida de este proceso es la fauna microbiana encontrada en el órgano del rumen de ganado vacuno y otros animales rumiantes. Estos ecosistemas microbianos naturales son procesos continuos y no requieren materias primas esterilizadas. Sin embargo, los ecosistemas microbianos naturales encontrados en los animales son de tamaño limitado por el organismo hospedador, no son activamente gestionados para modular los materiales de salida, y no pueden soportar extraer grandes volúmenes de productos químicos o biomasa para fines industriales sin perjuicio del animal hospedador.
Los ecosistemas microbianos también se encuentran en entornos artificiales, tales como digestores anaerobios y plantas de tratamiento de aguas residuales de tipo lodos activados. Estas instalaciones pueden modificarse de escala a tamaños más grandes, pero no gestionan activamente la mezcla de especies dentro de sus ecosistemas microbianos, ni recuperan tanto los productos químicos como la biomasa para su uso en productos industriales.
Chumpawadee et al. (Pakistan Journal of Nutrition (2009) Vol 8(9):1380-1382, "Nutrient enrichment of cassava starch industry by-product using rumen microorganism as inoculums source" se refiere a un tampón que comprende urea.
Weimer et al. (Bioresource Technology (2009) Vol 100:5323-5331, "Lessons from the cow: what the ruminant animal can teach us about consolidated bioprocessing of cellulosic biomass" se refiere a la utilización ruminal de biomasa celulósica.
Calt et al. (IEA Conference, 2011) presentaron un sistema de FEG en un artículo titulado "Island financial resource impact from microbial ecosystem fermentation for the treatment of organic waste streams". Biogas From Slaughterhouse Waste: Towards An Energy Self-Sufficient Industry (2009) (IEA Bioenergy Task 37) describe una planta de biogás que usa biogás derivado de la digestión anaerobia de mataderos. Alvarez et al. (Revista Boliviana De Quimica (2006) Vol 23(1):62-70) estudiaron la co-digestión en lotes de estiércol, residuos sólidos de mataderos y residuos de frutas y verduras.
Sumario
Basándose en la divulgación que está contenida en el presente documento, la presente invención proporciona un método ex vivo para generar recursos a partir de materias primas, comprendiendo el método:
(a) fermentar una materia prima orgánica que comprende residuos de cocina o lodos de aguas residuales con un rumen o material de rumen tomado de un animal rumiante para generar un recurso, y
(b) añadir al menos una sustancia capaz de ser utilizada como una fuente de nitrógeno en la fermentación, en el que la sustancia está seleccionada del grupo que consiste en amoniaco, urea, aminoácidos y aminas, y combinaciones de los mismos.
En un aspecto adicional, la presente invención proporciona un sistema para generar recursos a partir de materias primas orgánicas, comprendiendo el sistema:
(a) una trituradora/mezcladora configurada para recibir una materia prima orgánica que comprende residuos de cocina o lodos de aguas residuales, y un rumen o material de rumen; y
(b) un fermentador que comprende (i) la materia prima orgánica que comprende residuos de cocina o lodos de aguas residuales, (ii) rumen o material de rumen y (iii) al menos una sustancia capaz de ser utilizada como una fuente de nitrógeno, en el que el fermentador está configurado para fermentar la materia prima orgánica para generar un recurso, y en el que la sustancia está seleccionada del grupo que consiste en amoniaco, urea, aminoácidos y aminas, y combinaciones de los mismos.
La presente invención y realizaciones de la misma se explican en las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
La FIG 1 muestra una comparación de un digestor anaerobio tradicional y un tren de fermentación en ecosistemas gestionados (FEG) para generar recursos que incluyen metabolitos, productos de biomasa, biogás y electricidad de
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la fermentación de materias primas residuales.
La FIG 2 es un diagrama de flujo que ilustra un tren de fermentación en ecosistemas gestionados (FEG) para generar recursos que incluyen productos químicos, productos de biomasa, biogás, potencia y calor, y agua recuperada de la fermentación de materias primas orgánicas con el rumen. El tren de FEG permite remover o la agitación del fermentador y separación de los productos químicos y biomasa en una unidad de separación en partículas.
La FIG 3 es un diagrama de flujo que ilustra un tren de fermentación en ecosistemas gestionados (FEG) para generar recursos que incluyen productos químicos, productos de lípido, productos de biomasa, biogás, potencia y calor, y agua regenerada de la fermentación de materias primas orgánicas con rumen. El tren de FEG permite el fraccionamiento de los lípidos, productos químicos, biomasa y biogás del fermentador.
La FIG 4 es el mismo diagrama de flujo que se representa en la FIG 3, excepto que muestra el uso de materia prima adulterada para generar biomasa para producir un mejorador de suelo que tiene microbios vivos.
La FIG 5 es el mismo diagrama de flujo que se representa en la FIG 4 con la adición que muestra el uso de materia prima de calidad alimentaria para generar biomasa que es deshidratada y secada para producir pienso para animales de alta proteína (PAAP).
La FIG 6 es el mismo diagrama de flujo que se representa en la FIG 5, excepto que muestra el uso de materia prima adulterada para generar biomasa que es deshidratada y secada para producir fertilizante seco.
La FIG 7 es un diagrama de flujo que ilustra un tren de fermentación en ecosistemas gestionados (FEG). En el tren de FEG, los metabolitos y la masa microbiana producida por la fermentación de la materia prima por microbios se recuperan como productos de biomasa, productos de metabolitos (productos químicos) y agua regenerada.
La FIG 8 es un diagrama de flujo que ilustra una unidad de filtros de cascada que comprende un conjunto de membranas dispuestas en orden de tamaño de poro descendente. Los primeros tamices son para retener los trozos más grandes del digesto para devolver al sistema de fermentación. Los tamices posteriores permiten la separación entre la biomasa y los metabolitos (productos químicos) extraídos de la fermentación.
La FIG 9 es un diagrama de flujo que ilustra un tren de fermentación en ecosistemas gestionados (FEG) para conversión de una materia prima de calidad alimentaria en biomasa que es deshidratada y secada para producir pienso para animales de alta proteína (PAAP).
La FIG 10 es un diagrama de flujo que ilustra un tren de fermentación en ecosistemas gestionados (FEG) para conversión de una materia prima residual orgánica adulterada en biomasa que es deshidratada y secada para producir un fertilizante secado con altos niveles de extractos orgánicos, nitratos y fosfatos.
La FIG 11 es un diagrama de flujo que ilustra un tren de fermentación en ecosistemas gestionados (FEG) para conversión de una materia prima residual orgánica adulterada en biomasa que es parcialmente deshidratada para producir un producto mejorador de suelo que tiene microbios vivos para complementar los microbios que se encuentran nativamente en suelos.
La FIG 12 es un diagrama de flujo que ilustra la separación de diferentes especies de proteína usando una serie de unidades de captura.
La FIG 13 es un diagrama de flujo que ilustra productos iniciales, intermedios y finales que se generan por el proceso de fermentación en ecosistemas gestionados (FEG) descrito en el presente documento.
La FIG 14 es un diagrama de flujo que ilustra productos iniciales que se generan por el proceso de fermentación en ecosistemas gestionados (FEG) descrito en el presente documento.
La FIG 15 es un gráfico que muestra la presencia y fluctuación diaria (durante un periodo de 30 días) en la capa de líquido de una FEG de cada uno de los AGV: ácido acético, ácido butírico, ácido valérico y ácido hexanoico como porcentaje, además del porcentaje total de estos 4 AGV.
La FIG 16 es un gráfico que muestra la fluctuación diaria en el pH (símbolos de círculo) y el porcentaje total de los 4 AGV ácido acético, ácido butírico, ácido valérico y ácido hexanoico (símbolos de cuadrado) medidos en la capa de líquido en una FEG durante un periodo de 30 días.
La FIG 17 es un gráfico que muestra el porcentaje diario de cada uno de los AGV ácido acético, ácido butírico, ácido valérico y ácido hexanoico, además del porcentaje diario del total de estos 4 AGV para una FEG con ajuste diario del pH dentro de un intervalo 5,9 - 6,1.
La FIG 18 es un gráfico que muestra el porcentaje total de los 4 AGV ácido acético, ácido butírico, ácido valérico y ácido hexanoico en una FEG de control (línea con triángulos) y una FEG con residuo de biodiésel añadido (línea con cuadrados).
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Descripción detallada
La materia actualmente desvelada proporciona métodos de generación de recursos de materias primas. Más específicamente, los métodos de la invención comprenden fermentar una materia prima orgánica, que comprende residuos de cocina o residuos de aguas residuales, con un rumen o material de rumen para generar un recurso que incluye uno o más de productos químicos, biomasa, lípidos y biogás, en el que se añaden una fuente de nitrógeno, seleccionada del grupo que consiste en amoniaco, urea, aminoácidos y aminas, y combinaciones de los mismos. La fermentación de una materia prima orgánica con un rumen de un animal rumiante se denomina en el presente documento fermentación en ecosistemas gestionados ("FEG") y se basa en colonias de microbios que existen de forma natural con miles de diferentes especies que forman un todo simbiótico. Un ecosistema microbiano natural es internamente simbiótico, ya que las muchas especies dependen entre sí y no pueden ser independientemente cultivadas. La FEG usa ecosistemas microbianos naturales como un elemento estructural para desarrollar procesos industriales complejos. Las instalaciones de FEG usan los metabolitos (denominados de otro modo en el presente documento "productos químicos") y la masa microbiana producida por los microbios, y los residuos de las materias primas como productos recuperados.
Las diferencias conceptuales entre FEG y otros procesos microbianos naturales o industriales son el grado de control de gestión aplicado y el número de productos recolectados. La FEG está entre los dos extremos de las fermentaciones microbianas no gestionadas en digestores anaerobios (DA) y las fermentaciones de especies individuales de la industria farmacéutica. La FEG adopta una función en gestionar y controlar activamente la colonia microbiana: añadiendo especies que producen productos deseados, pero evitan las manipulaciones de ADN usadas en ingeniería genética. Un ejemplo de un diagrama esquemático de una FEG se ilustra en la FIG 2.
La gestión de muchas especies microbianas naturales en vez de intentar añadir características a un microbio individual tiene varias ventajas importantes. Las especies microbianas en un ecosistema microbiano que existe de forma natural ya tienen su propio nicho en la naturaleza y muchas no pueden ser cultivadas fuera de su ecosistema. Estos no son microbios nuevos, de manera que plantean un bajo riesgo de llegar a ser nuevos patógenos. Debido a que todas las especies en una FEG funcionan holísticamente, la necesidad de proteger un microbio cualquiera o proceso del "mundo exterior" esterilizando todo el equipo y la materia prima es un gran coste que se evita. La diversidad de microbios forma un mecanismo de auto-defensa para garantizar la supervivencia del consorcio microbiano. Los procesos de FEG pueden cribar posibles mezclas de ecosistemas microbianos y rendimiento de producto a una tasa más rápida de manera los científicos puedan modificar la genética de una única especie y probar sus resultados. La FEG se basa en seleccionar y combinar muchas especies que existen de forma natural en ecosistemas estables con propiedades adicionales más allá de aquellas del ecosistema original.
Las características de FEG ofrecen varias ventajas técnicas como proceso industrial. Por ejemplo, la FEG se produce a temperaturas moderadas y próxima a presiones atmosféricas, de manera que los costes de construcción pueden ser más bajos que los procesos con temperaturas y presiones mucho más altas, tales como la pirólisis.
El rumen produce algunos materiales tóxicos, como se evidencia por las largas vidas naturales de muchos rumiantes, que indica que debe haber poco riesgo de que nuevas toxinas entren en el entorno desde los procesos de FEG basados en rumen. Adicionalmente, un fuerte programa de QA/QC probará y verificará la seguridad del producto continuamente. A diferencia, la bibliografía indica hacia la capacidad de los microbios del rumen para desintoxicar algunas toxinas medioambientales, que incluyen aflatoxina.
La FEG es un proceso anaerobio que opera próximo a valores de pH neutro, de manera que está limitado el riesgo de responsabilidad de un vertido. El oxígeno en el aire detendrá rápidamente el proceso y el fluido es solo moderadamente corrosivo a pH 5 a 6,5. Todos los microbios existen de forma natural, muchos son bacterias del suelo, y poco probable que dañen las plantas o el agua subterránea.
La FEG es robusta; los animales rumiantes pueden vivir 20 años sin un fallo microbiano. Esta robustez de FEG significa gastos de mantenimiento más bajos en el cuidado de los microbios.
La FEG es adaptable a diferentes materias primas. El tiempo de transición mínimo de pasto a grano para ganado vacuno es de varios días. Los microbios del rumen de ganado vacuno también se adaptan a una amplia variedad de materias primas en el laboratorio. Esta adaptabilidad elimina la necesidad de guardar cepas como se usa en los productos farmacéuticos.
La FEG puede modificarse añadiendo microbios adicionales al ecosistema. Investigación con ovejas australianas ha demostrado que la capacidad para digerir taninos específicos puede ser adquirida por animales que reciben microbios del rumen adicionales.
La FEG no requiere una materia prima esterilizada. Esta propiedad evita un proceso que podría ser muy difícil y caro para materias primas de alto volumen.
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Definiciones:
Aunque se cree que los siguientes términos son bien entendidos por un experto habitual en la materia, las siguientes definiciones se exponen para facilitar la explicación de la materia actualmente desvelada.
A menos que se defina de otro modo, todos los términos técnicos y científicos usados en el presente documento tienen el mismo significado que comúnmente es entendido para un experto habitual en la materia a la que pertenece la materia actualmente desvelada.
Según la convención de la ley de patentes de larga duración, los términos "un", "una", "el" y "la" se refieren a "uno o más" cuando se usa en la presente solicitud, que incluye las reivindicaciones. Así, por ejemplo, referencia a "un producto químico" o referencia a "un lípido" incluye una pluralidad de tales productos químicos o tales lípidos, etc.
El término "metabolito" se usa en el presente documento indistintamente, para los fines de la memoria descriptiva, dibujos, y reivindicaciones, con el término "productos químicos".
Como se usa en el presente documento, los bloques ilustrados en las FIG 2-12 se denominan algunas veces en el presente documento "unidades" y se indican para representar bloques de equipo que pueden contener múltiples elementos para realizar las diversas tareas.
Como se usa en el presente documento, el término "materia prima" significa los materiales orgánicos dispuestos en el proceso de FEG para la conversión en materiales de salida (o denominados de otro modo en el presente documento "recursos"). El término "materia prima orgánica" se usa en el presente documento para los fines de la memoria descriptiva, dibujos y reivindicaciones para referirse a cualquier materia prima de una naturaleza orgánica. El término "orgánico", como se usa en el presente documento para los fines de la memoria descriptiva, dibujos y reivindicaciones, se indica para ser entendido en su sentido más amplio como que es, se refiere a, o deriva de materia viva. Por consiguiente, la materia prima orgánica de la materia actualmente desvelada puede comprender, por ejemplo, pero no se limita a, uno o más residuos de cocina, residuos de biodiésel, residuos agrícolas, residuos de plantas de procesamiento de alimentos, pulpa de madera, papel triturado, lodo de fábricas de papel, residuos de desmontadoras de cápsulas de algodón, lodos de aguas residuales, residuos de matadero, fracción orgánica de residuos sólidos urbanos (FORSU), o algas, o combinaciones de los mismos. Materia prima orgánica de "calidad para pienso", para los fines de la memoria descriptiva, dibujos y reivindicaciones, significa material orgánico que está autorizado para alimentación al ganado. En algunos casos puede abreviarse ("CP") en este documento. Materia prima orgánica "adulterada" significa para los fines de la memoria descriptiva, dibujos y reivindicaciones cualquier material orgánico que no está autorizado para alimentar al ganado. La mayoría de los residuos orgánicos están considerados adulterados y, por tanto, los productos de FEG de estas fuentes no serán aceptables como pienso para animales. En los métodos de la invención, la materia prima comprende residuos de cocina o residuos de aguas residuales.
El término "rumen" se usa en el presente documento para los fines de la memoria descriptiva, dibujos y reivindicaciones para referirse a uno o más de un rumen de un animal rumiante. Ejemplos específicos del rumen incluyen, por ejemplo, pero no se limitan a, uno o más de un rumen bovino, un rumen de oveja, un rumen de cabra, un rumen de reno o un rumen de bisonte, o combinaciones de los mismos. Además del rumen, uno o más microorganismos pueden añadirse a la FEG de la materia actualmente desvelada. El término "microorganismo" se usa en el presente documento indistintamente con el término "microbio" y significa para los fines de la memoria descriptiva, dibujos y reivindicaciones cualquier organismo microscópico. Ejemplos de microorganismos incluyen, pero no se limitan a, bacterias, bacterias productoras de ácido butírico que incluyen, por ejemplo, Clostridium acetobutylicum, Clostridium butyricum, Clostridium kluyveri, Clostridium pasteurianum, Fusobacterium nucleatum, Butyrivibrio fibrisolvens, Eubacterium limosum, bacterias celulósicas, microbios de lombrices de tierra, microbios de termitas, microbios del ciego, microbios del ciego de conejo, microbios del ciego de caballo, levadura, levadura industrial, levadura de cerveza, hongos, Trichoderma reesei, y protozoos, y combinaciones de los mismos. Por "bacterias celulósicas " se indica bacterias capaces de degradar la celulosa, por ejemplo, mediante hidrólisis. Las bacterias celulósicas incluyen bacterias en el rumen o bacterias en el intestino de ciertas especies no de rumen que son capaces de digerir celulosa dando ácidos grasos volátiles que incluyen acético, butírico y propiónico. Por microbios de lombrices de tierra o microbios de termitas se indica los microbios en el intestino de la lombriz de tierra o termita que son capaces de degradar la celulosa. Por microbios del ciego se indica los microbios en el ciego de un animal que son capaces de degradar la celulosa. Por Trichoderma reesei se indica un hongo que tiene la capacidad de secretar grandes cantidades de enzimas celulolíticas tales como, por ejemplo, celulasas y hemicelulasas.
El término "recurso" se usa en el presente documento para los fines de la memoria descriptiva, dibujos y reivindicaciones para referirse a uno o más de productos químicos, lípidos, ácidos grasos volátiles ("AGV"), ácidos grasos de cadena larga, ácido acético, ácido propriónico, ácido isobutírico, ácido butírico, ácido isovalérico, ácido valérico, ácido láctico, ácido hexanoico, etanol, butanol, biomasa, pienso para animales de alta proteína, fertilizante, fertilizante de fosfato, fertilizante de nitrógeno, proteínas, aminoácidos, lisina, enzimas, celulasa, alfa-amilasa, histidasa, lisozima, penicilina acilasa, biogás, metano, hidrógeno, dióxido de carbono y agua.
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El término "químico" se indica para ser interpretado en su sentido más amplio para los fines de la memoria descriptiva, dibujos, y reivindicaciones, como algo hecho de materia que está presente en la FEG de la materia actualmente desvelada. En un sentido, el término "químico" se usa en el presente documento para significar cualquier producto químico, producto bioquímico o metabolito que puede ser producido por un animal rumiante, producido por un microorganismo que es capaz de degradar la celulosa, o producido por una FEG. Ejemplos específicos de químicos incluyen, pero no se limitan a, ácidos grasos volátiles, ácidos grasos de cadena larga, ácido acético, ácido propriónico, ácido isobutírico, ácido butírico, ácido isovalérico, ácido valérico, ácido láctico, ácido hexanoico, etanol y butanol.
El término "biomasa" y el término "biomasa microbiana" y el término "producto de biomasa" y el término "materiales de biomasa" se usan en el presente documento indistintamente, para los fines de la memoria descriptiva, dibujos, y reivindicaciones. "Producto de biomasa" significa para los fines de la memoria descriptiva, dibujos y reivindicaciones la corriente de salida del proceso de FEG que contiene la mayoría de la biomasa en forma de células, residuo celular, proteínas, enzimas, o aminoácidos. Estos materiales de biomasa pueden eliminarse del sistema en el estado crudo o procesarse adicionalmente para producir productos de biomasa adicionales.
El término "proteína" significa, como se usa en el presente documento para los fines de la memoria descriptiva, dibujos y reivindicaciones, cualquier aminoácido, péptido, enzima o molécula de proteína y el término "proteína" se usa en el presente documento indistintamente con el término "polipéptido", el término "péptido", el término "aminoácido", el término "enzima" y un término para cualquier aminoácido específico o cualquier enzima específica.
Para evaluar cómo y qué producirá la FEG, sígase el flujo de carbono de materia prima a producto. El equilibrio de carbono mostrado en la Tabla 1 tiene dos partes debido a que se usan dos etapas de fermentación. La etapa uno es la fermentación inicial y se modeló en la fermentación del rumen de ganado vacuno debido a que es la fuente original del ecosistema microbiano. La etapa dos es un generador de biogás que consume los AGV de la etapa uno y se modela en generadores de biogás comerciales, ya que usa los mismos microbios metanogénicos. El equilibrio de carbono incluye solo la fracción digerible de la materia prima. Indigeribles, tales como lignina, no son parte del rendimiento, pero aparecerán como material de compost en la salida del proceso. Los valores resumidos en la Tabla 2 son las asignaciones de carbono global a través de ambos procesos.
Repartos de carbono en cada etapa de fermentación que se produce en FEG.
Proceso de la etapa 1: Acidogénesis
Porcentaje de la etapa 1 Proceso de la etapa 2: Metanogénesis Porcentaje de la etapa 2 Reparto de carbono compuesto Etapa 1+ 2 = Total Porcentaje total
Productos químicos; AGV
56,0 % AGV ^ CH4 60,0 % Productos químicos, AGV ^ CH4 33,6 %
AGV ^ CO2 40,0 % Productos químicos, AGV ^ CO2 22,4 %
Biomasa; microbios
25,0 % Biomasa; microbios 25,0 %
Gas de fermentación (CO2)
18,5 % Gas de fermentación (CO2) 18,5 %
Gas de fermentación (CH4)
0,5 % Gas de fermentación (CH4) 0,5 %
Total:
100,0% Total: 100,0% Total: 100,0%
Tabla 1: Reparto de carbono
Resumen del reparto de carbono
Asignación de carbono
Porcentaje
Metano
34 %
Dióxido de carbono
41 %
Carbono microbiano
25 %
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Tabla 2: Resumen de carbono digerido
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Los rendimientos de metano y biomasa son las fuentes de entrada, teniendo la biomasa un valor mucho mayor que el metano. En una realización, el metano se convierte en potencia eléctrica y calor de proceso como parte del proceso. El rendimiento del metano parece adecuado para proporcionar calor y potencia suficientes para conducir el proceso global.
La biomasa es un material compuesto de células, enzimas, proteínas y aminoácidos. Aunque este material puede recogerse seco y usarse a granel como fertilizante o pienso para animales de alta proteína (PAAP), hay ingresos potenciales significativos en separar las enzimas y los aminoácidos para venta por separado. La FEG como proceso industrial es más complejo que una unidad de biogás, pero el PAAp y otros productos biológicos se venden por mucho más que el metano o la electricidad.
Se desvelan en el presente documento sistemas, procesos y métodos de fermentación en ecosistemas gestionados (FEG) para la implementación de los mismos (véanse las FIG 2-12). La FEG tiene varias características importantes. Las fermentaciones existen simbióticamente dentro de un entorno mecánico controlado. El ecosistema microbiano es simbiótico entre las muchas especies dentro de la fermentación y también el ecosistema entero es simbióticamente dependiente del entorno mecánico externo en el que se localiza. La manipulación del entorno externo es una de las herramientas de gestión en los procesos de FEG.
El sistema de fermentación en ecosistemas gestionados (FEG) de la materia actualmente desvelada no requiere materias primas esterilizadas. La diversidad de especies dentro del ecosistema parece ofrecer protección al ecosistema entero. Ningún animal esteriliza todo lo que come; el ecosistema microbiano digestivo parece protegerlo. Los procesos de FEG descritos en el presente documento utilizan la diversidad de especies microbianas como mecanismo protector, así no se requiere la esterilización de la materia prima.
Las fermentaciones en ecosistemas pueden consumir una amplia variedad de materiales orgánicos, y proporcionan una salida estable durante años de una vez. El comportamiento del rumen en ganado vacuno alimentado de pasto o alimentado de grano es diferente; sin embargo, se requiere un tiempo de transición entre los dos programas de alimentación. La dieta humana demuestra esta diversidad de entradas y estabilidad a largo plazo. El control de las características de entrada de la materia prima puede manipular los materiales de salida del sistema de FEG, proporcionando otra herramienta de gestión usada en procesos de FEG.
Los procesos de FEG pueden adaptarse a nuevas tareas por manipulación cuyas especies microbianas están presentes en el ecosistema. La hibridación del ecosistema microbiano controlando qué especies específicas están incluidas en el ecosistema gestionado es otra herramienta para operar las instalaciones de FEG.
Los procesos en ecosistemas pueden producir una amplia variedad de productos químicos y especies de biomasa simultáneamente. Los procesos de FEG pueden extraer los productos químicos y la biomasa producida; juntos o por separado, como sólidos, líquidos o gases. Los productos químicos y materiales de biomasa pueden ser adicionalmente separados en familias químicas o compuestos individuales.
Para los métodos y sistemas de FEG de la materia actualmente desvelada, la materia prima orgánica puede incluir, por ejemplo, pero no se limita a, residuos de cocina, residuos de biodiésel, residuos agrícolas, residuos de plantas de procesamiento de alimentos, pulpa de madera, papel triturado, lodo de fábricas de papel, residuos de desmontadoras de cápsulas de algodón, lodos de aguas residuales, residuos de matadero, fracción orgánica de residuos sólidos urbanos (FORSU), o algas, o combinaciones de los mismos.
Para los métodos y sistemas de FEG de la materia actualmente desvelada, el rumen es uno o más de un rumen de un animal rumiante, y ejemplos específicos incluyen, pero no se limitan a, un rumen bovino, un rumen de oveja, un rumen de cabra, un rumen de reno, o un rumen de bisonte, o combinaciones de los mismos.
Los recursos generados en los métodos y sistemas de FEG de la materia actualmente desvelada son uno o más de productos químicos, lípidos, ácidos grasos volátiles, ácidos grasos de cadena larga, ácido acético, ácido propriónico, ácido isobutírico, ácido butírico, ácido isovalérico, ácido valérico, ácido láctico, ácido hexanoico, biomasa, pienso para animales de alta proteína, fertilizante, fertilizante de fosfato, fertilizante de nitrógeno, proteínas, aminoácidos, lisina, enzimas, celulasa, alfa-amilasa, histidasa, lisozima, penicilina acilasa, etanol, butanol, biogás, metano, hidrógeno, dióxido de carbono y agua.
Un método se representa en el diagrama de flujo ilustrado en la FIG 2. La FIG 2 muestra un tren de fermentación en ecosistemas gestionados (FEG) para generar recursos que incluyen productos químicos, productos de biomasa y agua regenerada de la fermentación de la materia prima orgánica con el rumen. El método comprende remover y/o agitar la materia prima orgánica durante la fermentación y separación de los productos químicos en el líquido de fermentación de la biomasa en partículas usando uno o más filtros, u otras tecnologías de separación, que se representa en la FIG 2 como "Separación de partículas".
La FIG 3 muestra un tren de fermentación en ecosistemas gestionados (FEG) para generar recursos que incluyen productos químicos, lípidos, biomasa, biogás, potencia y calor, y agua regenerada de la fermentación de la materia prima orgánica con el rumen. En esta realización, el método comprende fraccionar cada uno de los lípidos, productos químicos, biomasa y biogás del fermentador basándose en las propiedades físicas de cada recurso. Por
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ejemplo, los lípidos flotan encima del líquido de fermentación, los productos químicos son solubles en el líquido de fermentación, una porción significativa de la biomasa se hunde al fondo del fermentado^ y el biogás está en la fase gaseosa. Como se ilustra en la FIG 3, los lípidos se fraccionan desde la sección superior del fermentados la biomasa se fracciona desde la sección inferior del fermentados los productos químicos se fraccionan desde la sección central del fermentador, y el gas es liberado de la parte superior del fermentador.
En una realización, el método comprende recircular la materia prima orgánica que no es digerida a través de una trituradora/mezcladora. Esto se ilustra en las FIG 2 y 3.
En una realización, el método comprende reinocular la materia prima orgánica con el rumen. En una realización, la reinoculación es periódica. La reinoculación se realiza usando el rumen y el puerto de adición de microbios ilustrado en las FIG 2 y 3.
En una realización, el método comprende extraer una porción de los productos químicos que son ácidos para mantener la fermentación a un pH en un intervalo entre aproximadamente pH 4 y aproximadamente pH 9. En una realización, el intervalo de pH está entre aproximadamente pH 5 y aproximadamente pH 8. En una realización, la eliminación de los productos químicos ácidos es continua. En una realización, los productos químicos ácidos comprenden AGV.
En una realización, el método comprende emplear un proceso para generar potencia y/o calor para el método, en el que el proceso utiliza al menos una porción del recurso productos químicos, el recurso hidrógeno y/o el recurso biogás.
En una realización, el método comprende recuperar al menos una porción del agua de recurso generada.
En una realización, el método comprende añadir uno o más de un microorganismo, bacterias, bacterias productoras de ácido butírico, bacterias celulósicas, bacterias de Clostridium acetobutylicum, levadura, levadura industrial, levadura de cerveza, Trichoderma reesei, hongos, protozoos, microbios de lombrices de tierra, microbios de termitas, microbios del ciego, microbios del ciego de conejo o microbios del ciego de caballo, o combinaciones de los mismos.
En una realización, el método comprende separar uno o más de los productos químicos en una unidad de separación de productos químicos. Esto se ilustra en las FIG 2 y 3. En una realización, los productos químicos comprenden uno o más de ácidos grasos volátiles, ácidos grasos de cadena larga, ácido acético, ácido propriónico, ácido isobutírico, ácido butírico, ácido isovalérico, ácido valérico, ácido láctico, o ácido hexanoico, y la unidad de separación de productos químicos comprende una tecnología de intercambio iónico para efectuar la separación de uno o más de los productos químicos.
En una realización, el método comprende separar los lípidos de la biomasa, la materia prima y el agua. Esto se ilustra en la FIG 3.
En una realización, uno de los recursos generados es productos químicos, y el método comprende desviar al menos una porción de los productos químicos a un generador de biogás, en el que el generador de biogás es un segundo fermentador que comprende el rumen; y fermentar los productos químicos y el rumen en el generador de biogás para generar biogás. Esto se ilustra en la FIG 3. En una realización, el método comprende separar uno o más de los productos químicos en una unidad de separación de productos químicos, en el que los productos químicos separados comprenden ácido acético, y desviar el ácido acético separado al generador de biogás. En una realización, la fermentación en el generador de biogás se realiza a un pH de por encima de aproximadamente pH 6,2 para seleccionar para la generación del recurso biogás. En una realización, el método comprende emplear el biogás generado del generador de biogás para proporcionar energía al método.
En una realización, uno de los recursos generado es productos químicos y comprende separar uno o más de los productos químicos en una unidad de separación de productos químicos, en la que los productos químicos separados comprenden ácido acético; y desviar al menos una porción de los productos químicos separados que comprenden ácido acético a un proceso de celda de combustible de óxido cerámico para generar potencia a partir del ácido acético; y utilizar la potencia generada en el método. Esto se ilustra en la FIG 3.
En una realización, el recurso comprende biomasa y el método comprende fraccionar y/o separar el recurso biomasa usando separación de partículas y deshidratación de la biomasa. Esto se ilustra en las FIG 2 y 3. En una realización del método, la materia prima orgánica es una materia prima adulterada y la biomasa deshidratada es un mejorador de suelo que tiene microbios vivos. Esto se representa en la FIG 4. En una realización, el método comprende utilizar al menos una porción de uno o más de los recursos que comprenden productos químicos, hidrógeno o biogás para generar potencia para la deshidratación. En una realización, el método comprende secar la biomasa deshidratada. En una realización, la materia prima orgánica es una materia prima de calidad alimentaria y la biomasa deshidratada y secada es un pienso para animales de alta proteína (PAAP). Esto se representa en la FIG 5. En una realización, la materia prima orgánica es una materia prima adulterada y la biomasa deshidratada y secada es un fertilizante seco. Esta realización se representa en la FIG 6. En una realización, el método comprende utilizar al menos una porción de uno o más del recurso productos químicos, recurso hidrógeno o recurso biogás que se generan para generar
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potencia y/o calor para la deshidratación y el secado. En todas las realizaciones de la invención, la materia prima comprende residuos de cocina o residuos de aguas residuales.
En una realización, la fermentación no se realiza bajo condiciones estériles.
En el método para fermentar una materia prima orgánica con un rumen para generar un recurso, el método comprende añadir una o más sustancias capaces de ser utilizadas como fuente de nitrógeno en la fermentación. La sustancia está seleccionada del grupo que consiste en amoniaco, urea, aminoácidos y aminas, y combinaciones de los mismos.
En una realización, la materia prima comprende residuos de cocina y el rumen comprende rumen bovino. En una realización, la materia prima comprende residuos de cocina y el rumen comprende rumen bovino y el método comprende añadir amoniaco. En una realización, la materia prima comprende residuos de cocina, el rumen comprende rumen bovino y la materia prima comprende además residuos de biodiésel. En una realización, el rumen comprende además rumen de oveja. En una realización, la materia prima comprende residuos de cocina, el rumen comprende rumen bovino y el método comprende añadir una bacteria productora de ácido butírico. En una realización, la bacteria productora de ácido butírico es la bacteria Clostridium acetobutylicum.
En una realización, el recurso comprende lípidos, productos químicos, biogás y biomasa, y el método comprende fraccionar y/o separar mediante separación en partículas el recurso lípidos, productos químicos, biogás y biomasa; y producir uno o más de un producto químico, un producto de lípido, un biogás, un producto de biomasa, un fertilizante, un pienso para animales de alta proteína, un mejorador de suelo con microbios vivos, ácido acético, ácido propriónico, ácido isobutírico, ácido butírico, ácido isovalérico, ácido valérico, ácido láctico o ácido hexanoico, o combinaciones de los mismos.
En una realización, el método comprende monitorizar y/o controlar la fermentación desde una instalación remota, en la que la monitorización y/o el control se efectúan mediante el uso de un enlace de comunicaciones entre la fermentación y la instalación remota. En una realización del método, el enlace de comunicaciones comprende una tecnología cableada o inalámbrica.
En una realización, la materia actualmente desvelada proporciona un recurso generado según el método de la reivindicación 1, comprendiendo el método fermentar una materia prima orgánica con un rumen para generar el recurso. El recurso se proporciona seleccionado del grupo que consiste en productos químicos, lípidos, ácidos grasos volátiles, ácidos grasos de cadena larga, ácido acético, ácido propriónico, ácido isobutírico, ácido butírico, ácido isovalérico, ácido valérico, ácido láctico, ácido hexanoico, biomasa, pienso para animales de alta proteína, fertilizante, fertilizante de fosfato, fertilizante de nitrógeno, proteínas, aminoácidos, lisina, enzimas, celulasa, alfa- amilasa, histidasa, lisozima, penicilina acilasa, etanol, butanol, biogás, metano, hidrógeno, dióxido de carbono y agua, y combinaciones de los mismos.
En una realización, la materia actualmente desvelada proporciona un sistema como se define en la reivindicación 2, que comprende una trituradora/mezcladora configurada para recibir la materia prima orgánica y el rumen, y un fermentador configurado para recibir la materia prima orgánica y el rumen, y el fermentador configurado para fermentar la materia prima orgánica para generar un recurso. Esto se ilustra en las FIG 2-7 y 9-11. En una realización, el fermentador está configurado para recircular la materia prima orgánica que no es digerida mediante la trituradora/mezcladora. En una realización del sistema, la trituradora/mezcladora está configurada para la reinoculación de la materia prima orgánica con el rumen. En una realización del sistema, la re-inoculación es periódica.
En una realización, el sistema comprende un generador de potencia configurado para utilizar al menos una porción del recurso productos químicos, el recurso hidrógeno y/o el recurso biogás para generar potencia y/o calor para el sistema. En una realización, el sistema comprende una unidad de recuperación de agua.
En una realización, el fermentador está configurado para remover y/o agitar la materia prima orgánica y el rumen durante la fermentación. En una realización, el recurso comprende productos químicos y biomasa, y el sistema comprende una unidad de separación en partículas configurada para separar los productos químicos de la biomasa. Esto se ilustra en la FIG 2.
En una realización, el fermentador está configurado para fraccionar uno o más de los recursos seleccionados del grupo que consiste en lípidos, productos químicos, biogás y biomasa. Esto se ilustra en la FIG 3.
En una realización, el recurso comprende productos químicos y el fermentador está configurado para eliminar una porción de los productos químicos que son ácidos para mantener el pH de la fermentación en un intervalo entre aproximadamente pH 4 y aproximadamente pH 9. En una realización, el pH de la fermentación se mantiene en un intervalo entre aproximadamente pH 5 y aproximadamente pH 8. En una realización, el fermentador está configurado para eliminar los productos químicos de una manera continua. En una realización, los productos químicos ácidos que se eliminan comprenden AGV.
En una realización, la trituradora/mezcladora está configurada para recibir uno o más de un microorganismo, una bacteria, una bacteria productora de ácido butírico, una bacteria celulósica, una bacteria de Clostridium
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acetobutylicum, una levadura, una levadura industrial, una levadura de cerveza, un Trichoderma reesei, un hongo, un protozoo, microbios de lombrices de tierra, microbios de termitas, microbios del ciego, microbios del ciego de conejo o microbios del ciego de caballo, o combinaciones de los mismos.
En una realización, el sistema comprende una unidad de separación de productos químicos configurada para separar uno o más de los productos químicos. En una realización, los productos químicos comprenden uno o más de ácidos grasos volátiles, ácidos grasos de cadena larga, ácido acético, ácido propriónico, ácido isobutírico, ácido butírico, ácido isovalérico, ácido valérico, ácido láctico o ácido hexanoico, y la unidad de separación de productos químicos comprende una tecnología de intercambio iónico. En una realización, el sistema comprende una unidad de separación de lípidos configurada para separar los lípidos de la biomasa, la materia prima y el agua.
En una realización, el recurso generado comprende productos químicos, y el sistema comprende un generador de biogás configurado como un segundo fermentador para recibir el rumen y al menos una porción de los productos químicos para generar biogás. En una realización, los productos químicos comprenden ácido acético y el sistema comprende una unidad de separación de productos químicos configurada para separar al menos una porción del ácido acético, en la que el ácido acético separado es desviado al generador de biogás. En una realización, el generador de biogás se mantiene a un pH de por encima de aproximadamente pH 6,2. En una realización, el biogás generado se emplea para proporcionar potencia al sistema.
En una realización, el recurso generado comprende productos químicos y el sistema comprende una unidad de separación de productos químicos configurada para separar uno o más de los productos químicos, en la que los productos químicos separados comprenden ácido acético, y una unidad de celda de combustible de óxido cerámico configurada para recibir y para generar potencia del ácido acético separado, en la que la potencia generada se utiliza en el sistema.
En una realización, el sistema comprende una unidad de separación en partículas configurada para separar la biomasa o el fermentador está configurado para fraccionar la biomasa; el sistema comprende una unidad de separación de biomasa; y el sistema comprende una unidad de deshidratación de biomasa configurada para deshidratar la biomasa. En una realización, la materia prima orgánica es una materia prima adulterada y la biomasa deshidratada es un mejorador de suelo que tiene microbios vivos. Esto se representa en la FIG 4. En una realización, el sistema comprende un generador de potencia configurado para utilizar al menos una porción de uno o más de los recursos generados que comprende productos químicos, hidrógeno o biogás para generar potencia para la deshidratación. En una realización, el sistema comprende una unidad de secado de biomasa configurada para secar la biomasa deshidratada. En una realización, la materia prima orgánica es una materia prima de calidad alimentaria y la biomasa deshidratada y secada es un pienso para animales de alta proteína (PAAP). Esto se representa en la FIG 5. En una realización del sistema, la materia prima orgánica es una materia prima adulterada y la biomasa deshidratada y secada es un fertilizante seco. Esto se representa en la FIG 6. En una realización, el sistema comprende un generador de potencia configurado para utilizar al menos una porción de uno o más de los recursos generados que comprenden productos químicos, hidrógeno o biogás para generar potencia para la deshidratación y/o secado.
En una realización, el sistema comprende una unidad de crecimiento de algas configurada para hacer crecer algas con el recurso generado dióxido de carbono.
En una realización, el sistema no está configurado para ser operado en condiciones estériles.
En todas las realizaciones del sistema, la trituradora/mezcladora está configurada para recibir para recibir una o más sustancias capaces de ser utilizadas como fuente de nitrógeno en la fermentación. La sustancia está seleccionada del grupo que consiste en amoniaco, urea, aminoácidos, o aminas, o combinaciones de los mismos.
En una realización, la materia prima orgánica comprende residuos de cocina y el rumen comprende rumen bovino. En una realización, la materia prima orgánica comprende residuos de cocina, el rumen comprende rumen bovino, y la mezcladora/trituradora está configurada para recibir adición de amoniaco. En una realización, la materia prima orgánica comprende residuos de cocina, el rumen comprende rumen bovino y la materia prima orgánica comprende residuos de biodiésel. En una realización, la materia prima orgánica comprende residuos de cocina y el rumen comprende una mezcla de rumen bovino y rumen de oveja. En una realización, la materia prima orgánica comprende residuos de cocina, el rumen comprende rumen bovino y la mezcladora/trituradora está configurada para recibir adición de una bacteria productora de ácido butírico. En una realización, la bacteria productora de ácido butírico es la bacteria Clostridium acetobutylicum.
En una realización, el recurso comprende productos químicos, biomasa, lípidos y biogás, y el sistema comprende el fermentador configurado para fraccionar el recurso productos químicos, biomasa, lípidos y biogás; una unidad de separación de productos químicos configurada para generar un producto químico; y una unidad de separación de biomasa configurada para generar un producto de biomasa. Esto se ilustra en la FIG 3. En una realización, el sistema comprende un generador de biogás configurado para generar biogás de al menos una porción de los productos químicos. En una realización, el sistema comprende una unidad de separación de lípidos configurada para generar un producto de lípido. En una realización, el producto químico comprende un ácido acético, un ácido
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propriónico, un ácido isobutírico, un ácido butírico, un ácido isovalérico, un ácido valérico, un ácido láctico o un ácido hexanoico, o combinaciones de los mismos. En una realización, el producto de biomasa está seleccionado del grupo que consiste en un fertilizante, un pienso para animales de alta proteína y un mejorador de suelo que tiene microbios vivos. Esto se ilustra en las FIG 4-6. En una realización, el sistema comprende una unidad de generación de potencia y de recuperación de calor configurada para generar potencia y/o calor, en la que la potencia generada y/o calor se utilizan en el sistema.
En una realización, el sistema comprende una instalación remota configurada para monitorizar y/o controlar el fermentador mediante el uso de un enlace de comunicaciones entre la instalación remota y el fermentador. En una realización, el enlace de comunicaciones está configurado como una tecnología cableada o inalámbrica.
Una realización de la materia actualmente desvelada es un proceso de preparación y conversión biológica de residuos orgánicos y/u otros materiales orgánicos en productos químicos, biomasa y materiales residuales, como se define en la reivindicación 1, luego recuperar múltiples productos, más agua regenerada. El proceso general se muestra en la FIG 7.
El proceso biológico usa un enfoque de ecosistema empleando de docenas a cientos de especies de microorganismos que proporcionan mayor flexibilidad para manipular corrientes residuales heterogéneas (es decir, corrientes residuales de más de un solo tipo de residuo) que los sistemas de fermentación tradicionales y niveles más altos de especificidad de salida de producto que los sistemas de digestión anaerobia. Este proceso se llama fermentación en ecosistemas gestionados (FEG). En una realización, los productos químicos y materiales de biomasa se recuperan del proceso y se separan por tamaño de partícula en múltiples corrientes para procesamiento.
Se desvela además el proceso de control y gestión de los materiales de materia prima para mantener propiedades deseadas dentro de la FEG, los productos químicos, la biomasa o los residuos. Un ejemplo de esto sería la mezcla de dos o más materiales de materia prima (o materiales aditivos); tales como lodos de aguas residuales y residuos de jardinería o residuos sólidos urbanos; para obtener la relación carbono a nitrógeno deseada, pH u otras propiedades de la mezcla que podrían mejorar la eficiencia de fermentación.
Se desvela además el proceso para la extracción de productos químicos de los fluidos de proceso de FEG para mantener las condiciones de pH dentro del recipiente de FEG o para extraer materiales específicos de los productos químicos. La mayoría de los productos químicos líquidos de la FEG serán ácidos grasos volátiles; como acetato, propionato y butirato. Los productos químicos también contienen pequeñas fracciones de ácidos grasos de cadena más larga y ácidos carboxílicos. Los productos químicos se separan en una unidad de separación de productos químicos. La separación de productos químicos se efectúa usando tecnología de intercambio iónico. La tecnología de intercambio iónico puede incluir, por ejemplo, el uso de una matriz de intercambio aniónico conocida para aquellos expertos en la materia por unir y recuperar ácidos carboxílicos tales como, por ejemplo, los AGV en el caldo de fermentación. En un ejemplo, la matriz de intercambio aniónico es una matriz de intercambio aniónico de lecho fluidizado. La primera etapa es eliminar alguna fracción del caldo de fermentación del recipiente de FEG y filtrar el caldo eliminado por exclusión por tamaño para eliminar materiales de materia prima y la mayoría de los materiales de biomasa de la fracción líquida restante; de forma que el líquido restante consista o comprenda la gran mayoría de los productos químicos, tampones y agua. En una realización, la segunda etapa es la eliminación de los productos químicos del agua y solución de tampón, de forma que los tampones se restauren y se aumente el pH de la solución al valor deseado para recirculación de nuevo en la fermentación.
En una realización, al menos una porción de los productos químicos eliminados se desvía a un tanque de fermentación microbiana adicional configurado como un generador de biogás para convertir los AGV en la solución líquida filtrada en metano y dióxido de carbono usando microbios metanogénicos. Esto se ilustra, por ejemplo, en las FIG 3-6 y 9-11. Estos microbios metanogénicos convierten el acetato y otros ácidos grasos volátiles en la solución líquida mixta en un metano y dióxido de carbono, materiales de fase gaseosa que pueden ser fácilmente separados por gravedad de los líquidos restantes. En una realización, las bacterias metanogénicas están presentes en el rumen y la generación de biogás se selecciona en el generador de biogás manteniendo el pH en el generador de biogás por encima de aproximadamente pH 6,2. Otros procesos para eliminar los productos químicos del caldo de fermentación filtrado pueden emplearse en esta realización de control del proceso de FEG.
Un aspecto de la materia actualmente desvelada es el método de proceso para separar especies de proteína específicas del caldo de fermentación usando una serie de materiales de filtro especializados, cada uno preparado para capturar solo una proteína (o enzima o aminoácido). Estos materiales de filtro pueden tener la forma de sustrato de textiles, membranas, perlas, u otro material sólido. Este material de sustrato se trata para formar muchos sitios de ligando que anclarán uno de los muchos compuestos de "captura" específica, cada uno de los cuales puede unirse a una de las moléculas de interés del caldo de fermentación. El sustrato, ligando y producto químico de captura forman juntos un material de filtración que permite que el fluido de fermentación se ponga íntimamente en contacto con los sitios del compuesto de captura, con el fin de unir el material de proteína diana y efectuar su eliminación del fluido de fermentación.
En una realización, se utilizan filtros funcionalizados en una disposición de flujo en serie para capturar una o más proteínas de la FEG (véase, por ejemplo, la publicación de patente de EE.UU. N.° 2007/0161308). En esta
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realización, muchos filtros están dispuestos en una disposición de flujo en serie, donde cada filtro o conjunto de filtros está funcionalizado para unir una proteína diferente (FIG 12). El fin de esta disposición es extraer diferentes especies de proteína de un fluido de fermentación común, de forma que cada especie de proteína sea capturada sobre un filtro separado o conjunto de filtros.
Esta realización es diferente de la patente de EE.UU. N.° 7285219 titulada "Chromatographic separation member and method", en la que el sustrato no es una película sólida, pero puede ser perlas o un fieltro textil con área superficial mucho mayor. Aunque esta realización puede usar el principio de eliminar repetidamente especies de proteína individuales de una mezcla de fluidos con un armazón de material que puede unir la proteína de interés o usar cromatografía de desplazamiento, ambos usados aparentemente en la patente de EE.UU. 7285219, el sustrato no necesita ser una película de polímero, como se requiere en dicha patente. Otra diferencia en esta realización y dicha patente es que la unión del producto químico y la liberación de los agentes pueden utilizar un principio químico diferente, distinto de cromatografía.
Una realización es el método de proceso para mezclar a medida especies adicionales de microbios que existen de forma natural en un ecosistema existente de microbios naturales que está ya viviendo simbióticamente dentro de un entorno mecánicamente mantenido. La mezcla de microbios puede ser otro ecosistema microbiano, múltiples ecosistemas, especies individuales de microbios o conjunto pequeño de especies microbianas. El fin de esta mezcla microbiana es potenciar las propiedades específicas de la fermentación en el proceso de ecosistemas gestionados. Estas propiedades adicionales pueden ser para el consumo de compuestos específicos en el material de materia prima, o la producción de productos químicos específicos, o la producción de proteínas de biomasa específicas, o la preservación de compuestos específicos de la materia prima dentro del fluido de fermentación. En una realización, la mezcla microbiana puede ser añadiendo a la fermentación uno o más de un microorganismo tal como, por ejemplo, una bacteria, una bacteria productora de ácido butírico, una bacteria celulósica, una bacteria de Clostridium acetobutylicum, una levadura, una levadura industrial, una levadura de cerveza, Trichoderma reesei, un hongo, un protozoo, microbios de lombrices de tierra, microbios de termitas, microbios del ciego, microbios del ciego de conejo o microbios del ciego de caballo.
Una realización es la capacidad para distribuir muchos sistemas de FEG en una región y controlarlos desde una localización central. Este aspecto es una característica de una arquitectura de sistemas de fabricación llamado fabricación bioquímica integrada distribuida (FBID). El equipo del proceso de FEG (la unidad de conversión remota, UCR) está localizada en el punto de concentración de materia prima tal que se reduzca el coste de transporte de materiales de partida. Cada UCR está conectada a una instalación central (IC) por un enlace de comunicaciones que puede incluir cualquier tecnología cableada o inalámbrica con ancho de banda e intervalo adecuados. La sala de control central tiene monitorización directa y control de cada UCR dentro de su región asignada. El personal en la sala de control central enviará a los trabajadores a las UCR para operaciones normales, tareas de mantenimiento y de emergencia. Esta arquitectura centraliza las tareas de monitorización debido a que los procesos de FEG normalmente cambian lentamente, pero cualquier proceso químico o biológico necesita un nivel mínimo de monitorización en todo momento.
El control puede ser pasado a más salas de control remoto en otras regiones o una oficina central según se desee, creando la oportunidad de capacidades de monitorización y control redundantes, como sistema de seguridad.
Las asignaciones de trabajo pueden optimizarse para minimizar el tiempo de respuesta o las millas conducidas. El compartir tanto operarios expertos como personal de mantenimiento entre un gran número de sitios puede aumentar las tasas de utilización del trabajo y aplicar altos niveles de competencia cuando y donde se necesite.
Pueden establecerse vías de recogida de material para operaciones rutinarias para minimizar las millas conducidas por tonelada de material recogido.
Una realización es la capacidad de las instalaciones centrales para integrar los materiales de salida de muchas UCR, que pueden estar utilizando diferentes fuentes de materias primas adulteradas. Esta realización no implementa ninguna mezcla de materiales adulterados en ningún material de calidad para pienso. La separación de las clases de material adulterado y de calidad para pienso es necesaria para la seguridad animal y el cumplimiento legislativo. Este aspecto es una característica de la arquitectura de sistemas de fabricación FBID. Debido a que los procesos de FEG producen productos químicos comunes, algunas proteínas comunes, y otros productos intercambiables, la arquitectura del sistema FBID puede añadir los materiales intercambiables a la IC para procesamiento adicional. La ventaja de FBID es la economía de escala que proporciona en la fabricación de productos secundarios a partir de los productos de UCR, mientras que se minimizan los costes de transporte de materiales de partida para la conversión inicial.
No todos los materiales deben circular de la UCR a la IC. Donde los productos de UCR particulares no sean intercambiables, tales como producción de pienso para animales u otra producción de calidad para pienso, estos productos pueden suministrarse directamente a los clientes locales, tales como enviar el producto de pienso para animales directamente a un molino de pienso.
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El producto de un pienso para animales de alta proteína (PAAP) de baja humedad puede usarse en las dietas de animales de granja. Este material se alimenta a los animales, de manera que la materia prima debe ser materiales de calidad para pienso. La FEG produce la proteína para este material a partir de los hidratos de carbono, que frecuentemente incluyen celulosa, encontrada en el material de materia prima. Las propiedades físicas y nutricionales pueden ajustarse para mezclar en la dieta seca de las poblaciones de animales. Se espera que el PAAP tenga una concentración de proteína entre el 10% y el 50% dependiendo de las condiciones locales y preferencia del cliente. Se espera que el formato físico de PAAP sea gránulos secados, similar al pienso para perros, para reducir la formación de polvo durante el transporte y mejorar las propiedades de mezcla para el molino para pienso. Pueden considerarse otros factores de forma para este material.
Se desvela además el producto de un saborizante de pienso para animales que se añade a mezclas de pienso para mejorar la palatabilidad de otros materiales. Este material se alimenta a los animales, de manera que la materia prima debe ser materiales de calidad para pienso. El proceso de FEG produce la biomasa para este material a partir de los hidratos de carbono, frecuentemente que incluyen celulosa, encontrada en el material de materia prima. Este material es el extracto de biomasa concentrada de la fermentación, que contiene una alta densidad de microbios y líquidos suficientes para seguir siendo fácilmente manipulados. Líquidos químicos pueden incluirse en este material. El material se calienta y/u oxigena adecuadamente para destruir los microbios y garantizar la seguridad del producto.
Se desvela además el producto de un producto fertilizante granulado de baja humedad que proporciona una fuente orgánica de nitrógeno y fósforo. Este material no pretende usarse como pienso para animales o aplicarse a cultivos en crecimiento, de manera que puede fabricarse de materiales orgánicos adulterados. El proceso de FEG produce la biomasa para este material a partir de los hidratos de carbono, frecuentemente que incluyen celulosa, encontrada en el material de materia prima. La biomasa se seca y desnaturaliza térmicamente de manera que la proteína en la biomasa llegue a ser nitrógeno biodisponible, fósforo y materia orgánica para plantas. Las propiedades físicas y el envasado de este material pueden ajustarse para adecuarse a los mercados locales.
Se desvela además el producto de microbios anaerobios vivos que pueden incorporarse en suelos para potenciar y reforzar las poblaciones microbianas endógenas. El fin de este material es mejorar los rendimientos de plantas potenciando la actividad microbiana en el suelo. La forma de este material es una suspensión líquida anaerobia que se incorpora en el suelo por debajo de la superficie para limitar la exposición de oxígeno durante la aplicación.
Se desvela además la desintoxicación de agentes orgánicos específicos. Por ejemplo, el ganado vacuno ha demostrado que el rumen es capaz de desintoxicar ciertos compuestos orgánicos, que incluyen aflatoxina. En otro ejemplo, la investigación con ovejas australianas ha demostrado que la capacidad para digerir taninos específicos puede ser adquirida por animales que reciben microbios del rumen adicionales. Otro ejemplo es la investigación que muestra que Escherichia coli son desplazadas en el rumen y solo se encuentran en números muy pequeños en el rumen. Por consiguiente, en una realización, el proceso de FEG puede utilizarse como método de eliminación para agentes orgánicos que se probarán e identificarán.
Se desvela además un servicio de desintoxicación donde el cliente lleva el material a un sitio de FEG en operación que ha demostrado la capacidad para desnaturalizar o destruir el agente químico y/u orgánico en cuestión. Se desvela además un método para un conjunto específico de especies de microbio que va a instalarse en una fermentación en ecosistema no de FEG, tal como una planta de tratamiento de aguas residuales con el fin de añadir la capacidad microbiana para desnaturalizar o consumir dianas orgánicas específicas que no fueron suficientemente tratadas por el ecosistema original. Agentes diana para el consumo incluyen estrógenos en agua residual y compuestos farmacéuticos en agua residual. Los conjuntos microbianos se desarrollan usando la tecnología descrita en el presente documento.
El equipo descrito en esta sección se muestra en la FIG 7, que ilustra un diagrama de proceso general para un tren de FEG. Estas "Unidades" son bloques de equipo que pueden contener múltiples elementos para realizar las tareas.
Unidad 1, Trituradora-mezcladora. Este equipo realiza tres tareas antes de enviar la suspensión al fermentador: 1) reducir la materia prima a un intervalo de tamaños apropiado para la fermentación; 2) introducir la solución de tampón recirculada y los microbios de inoculación a la materia prima; y 3) proporcionar la mezcla apropiada y la dilución de agua entre la materia prima y los fluidos de recirculación.
La reducción del tamaño inicial a un tamaño superior de aproximadamente 5 cm es una molienda gruesa y se aproxima a la masticación inicial del ganado vacuno durante el pastoreo. El gran tamaño superior durante el primer pase minimizará la energía requerida para la reducción de tamaño. Como los materiales se recirculan de nuevo a la trituradora-mezcladora del filtro de cascada, su tamaño se reducirá adicionalmente pasando a través de la trituradora otra vez. El requisito de energía para el segundo pase y posteriores será más bajo como resultado del ataque de enzimas inicial sobre las fibras. Este equipo tendrá una camisa de agua según sea necesario para llevar la suspensión a la temperatura de operación del fermentador.
La mezcla de materia prima con tampón, agua y microbios formará una suspensión con el contenido de sólidos apropiado, pH e inoculación para iniciar la fermentación de la materia prima. La etapa final dentro de la unidad de trituradora-mezcladora es bombear la suspensión en el fermentador con velocidad suficiente para mezclar
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rápidamente la suspensión en el caldo de fermentación.
Unidad 2, Fermentador. Este equipo proporciona el tiempo de residencia y condiciones controladas para el ecosistema microbiano dentro de la unidad para digerir los materiales de materia prima en productos químicos, biomasa y materiales residuales.
Los factores medioambientales controlados dentro de esta unidad pueden incluir tiempo de residencia, velocidad de cizallamiento de la agitación, temperatura, pH del fluido, potencial redox, composición atmosférica del espacio de cabeza y presión. Cada uno de estos valores puede medirse en el fermentador o tubería próxima y conectarse a una red de monitorización y control central. El valor específico de cada punto de control dependerá de la materia prima, la constitución de constituyentes del ecosistema microbiano y la mezcla de productos deseada en las salidas. La capacidad para influir en la química de salida manipulando las entradas y puntos de control es una característica importante de FEG que demuestra la flexibilidad de los procesos.
La residencia del sistema se calcula basándose en el tiempo transcurrido en la trituradora-mezcladora, fermentador y unidades de filtros de cascada y tuberías asociadas. El tiempo de residencia dentro del sistema es diferente para líquidos y sólidos. El tiempo de residencia de líquidos se basa en la tasa de producción de productos químicos y el contenido de tampón debido a que el pH del caldo tiene que seguir en control, normalmente un valor entre 5,5 y 7,0. A medida que aumentan las tasas de fermentación, aumentará el tiempo de residencia del líquido, que aumenta la tasa de eliminación de productos químicos para mantener el valor de consigna del pH.
El tiempo de residencia para los sólidos en el sistema dependerá del tamaño de partícula y otros factores, tales como la tasa de purga de sólidos, usada para la eliminación de materiales indigeribles. En la mayoría de los rumiantes, el tiempo de residencia de sólidos es entre 1 y 3 días, dependiendo de la especie de animal y su dieta. Se espera que el tiempo de residencia de sólidos para procesos de FEG sea similar al proceso de rumen debido a que microbios similares son la fuerza conductora para la reducción de sólidos en ambos casos.
Unidad 3, Filtro de cascada. Esta unidad consiste o comprende un conjunto de membranas, dispuestas en orden de tamaño de poro descendente, como se muestra en la FIG 8. Cada membrana de la cascada está en una geometría de flujo cruzado, con flujo de retentato adecuado para minimizar la formación de torta sobre la membrana. El número total de membranas dependerá de las características de formación de torta de la fermentación y se espera que varíe con diferentes materias primas y ecosistemas microbianos. El conjunto de tamices mínimo esperado incluiría tener los trozos más grandes de digesto para devolverlos al sistema de fermentación. Puede haber varios tamices en este conjunto, dependiendo de la distribución del tamaño de partícula y características de formación de torta de los materiales de fermentación. Estas propiedades físicas del fluido determinarán el número de tamices, los tamaños de poro requeridos y los caudales tangenciales necesarios para la apropiada operación. Estos valores se determinarán empíricamente para cada tipo importante de materia prima encontrada, pero se espera que el tamaño de poro mínimo sea aproximadamente 5 micrómetros. Todo el flujo retenido sobre los tamices de la primera etapa se circulará de nuevo a la unidad 1 Trituradora-mezcladora.
El segundo conjunto de tamices es un elemento de diseño importante del tren de FEG, ya que permite la separación inicial entre la biomasa y los productos químicos extraídos de la fermentación, de manera que cada uno de estos materiales pueda procesarse independientemente para mayor ingreso total. Este tamaño de poro está por debajo de las partículas más grandes de materia prima incompletamente digerida y es mayor que el tamaño molecular de los productos químicos, de manera que la mayoría de los sólidos de los materiales de biomasa son retenidos sobre la membrana.
La tarea del segundo conjunto de tamices es capturar el material en partículas que pasa el primer conjunto de tamices y es retenido sobre el segundo, donde el segundo conjunto de tamices puede tener un tamaño mínimo de 0,2 micrómetros, con el fin de retener las células, residuos de células, proteínas, enzimas y aminoácidos de la fermentación. El material retenido sobre estos tamices, que incluye fluido suficiente para transportar este material fácilmente, es transportado a la Unidad N.° 4, la unidad de separación de biomasa.
El material que pasa el segundo conjunto de tamices es el agua, sales de tamponamiento y productos químicos como ácidos grasos volátiles (AGV) y ácidos carboxílicos de cadena más larga (C5 a C21), del fluido de fermentación. Estos materiales se envían a la Unidad N.° 5 para procesamiento químico en productos de salida.
Unidad 4, Separación de biomasa. Esta unidad recibe el flujo de la biomasa mixta de la unidad 3 Filtro de cascada. Esta unidad procesará la biomasa mixta en productos de salida que pueden ser transportados desde el sitio. Pueden incorporarse varias tecnologías diferentes en esta unidad, dependiendo de la materia prima disponible y los productos deseados.
Debido a que la tecnología de esta unidad depende de la materia prima y los productos seleccionados, los detalles del equipo de esta unidad se enumeran en cada uno de los ejemplos más adelante.
Unidad 5, Separación de productos químicos. Esta unidad recibe el flujo de la Unidad 3 que ha pasado un nivel de microfiltración, de manera que hay algunas partículas, tales como la biomasa microbiana, dentro de esta corriente. Los principales componentes de esta corriente son agua, sales de tampón disueltas, AGV y ácidos carboxílicos de
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cadena más larga que son los compuestos químicos dominantes producidos por la mayoría de los ecosistemas microbianos descritos en el presente documento. Esta unidad reducirá la concentración de AGV y otros productos químicos de manera que el tampón sea restaurando, aumentando el pH del fluido que abandona la unidad. En una realización, los AGV eliminados de la fermentación se convierten en dióxido de carbono y metano por la tecnología conocida de la fermentación de biogás usando microbios metanogénicos. En una realización, esto tiene lugar en un generador de biogás. En una realización, los productos químicos eliminados se separan en la unidad de separación de productos químicos usando una tecnología de intercambio iónico. La tecnología de intercambio iónico puede incluir, por ejemplo, el uso de una matriz de intercambio aniónico conocida para aquellos expertos en la materia para unir y recuperar ácidos carboxílicos tales como, por ejemplo, los AGV en el caldo de fermentación. En un ejemplo, la matriz de intercambio aniónico es una matriz de intercambio aniónico de lecho fluidizado. Por ejemplo, en una realización, el ácido acético se separa de otros AGV, y el ácido acético se desvía al generador de biogás para la fermentación de biogás como se ha descrito anteriormente. Pueden emplearse otras tecnologías en esta unidad a medida que nuevos procesos superan las economías de procesos de biogás.
Unidad 6, Recirculación y recuperación de agua. Esta unidad recibe los flujos restantes de las Unidades 4 y 5. Esta unidad mantendrá el equilibrio de agua total en el sistema, separando y eliminado agua suficiente de los flujos restantes para equilibrar el agua que entra en el sistema en la materia prima. El dispositivo central en esta unidad es una membrana de tipo ósmosis inversa que es capaz de separar las sales de tampón del agua. Las sales de tampón se concentran y se recirculan dentro del proceso, quedando en el flujo retornado a la Unidad 1. El agua regenerada que pasa la membrana será expulsada fuera del sistema y puede usarse para otros fines fuera del sistema.
Ejemplos
(El método y el sistema de la invención son como se definen en las reivindicaciones 1 y 2)
Ejemplo 1
El procesamiento de frutas y verduras en alimento para consumo humano produce una gran cantidad de residuo orgánico subproducto que se clasifica como "calidad para pienso" y es apto para consumo animal. El proceso de FEG descrito en el presente documento puede utilizarse para convertir los hidratos de carbono y la celulosa en proteína y proporcionar agua regenerada a la instalación de acogida. El proceso de FEG reducirá la masa de material que va a transportarse como pienso para animales del 70 % al 95 %, reduciendo significativamente los costes de transporte. El diagrama de este proceso se muestra en la FIG 9.
Para producir pienso para animales de alta proteína (PAAP) a partir de restos del procesamiento de frutas y verduras, el proceso de FEG se usará y complementará por dos procesos adicionales. Los productos químicos se eliminarían en un generador de biogás y el metano posterior se usaría para proporcionar potencia y calor para operar el proceso. El material de biomasa se deshidrataría, granularía y se secaría a un nivel de humedad esperado en el comercio, normalmente del 12 %. Este material tendría el tamaño y la textura de pienso para mascotas seco para minimizar las pérdidas por polvo y proporcionar las propiedades de mezcla esperadas para el comercio.
El generador de biogás puede ser cualquiera de varias unidades comerciales capaces de convertir AGV en metano usando las arqueas metanogénicas u otras bacterias metanogénicas. Se espera que un reactor de manto de lodos anaerobio de flujo ascendente (UASB) comercial proporcione la tasa más alta de producción de gas para el equipo de tamaño requerido. Estas unidades también proporcionan clarificación adecuada para el líquido que entra en la unidad de recirculación y recuperación de agua.
La unidad 4 Unidad de separación de biomasa en este ejemplo podría ensamblarse a partir de equipo comercial. La primera etapa sería un proceso en cinta o dispositivo similar para aumentar el contenido de sólidos de la biomasa del 5 % hasta aproximadamente del 20 % al 30 %. La segunda etapa en esta unidad es una unidad de granulación como se usa para cereal o alimento para mascotas, seguido de una secadora de aire caliente para reducir el contenido de humedad de los gránulos al nivel deseado.
Ejemplo 2
Puede fabricarse un segundo producto a partir del material de calidad para pienso usando el mismo tren de equipo que se muestra en la FIG 9. Extrayendo la biomasa en un punto en el proceso antes de que se haya secado o desnaturalizado completamente, se forma un producto separado que puede utilizarse como aromatizante en pienso para animales. Ciertas especies son atraídas a esta mezcla microbiana y este agente mejorará la palatabilidad de otros alimentos en la dieta del animal. La observación ha mostrado que los perros son fuertemente atraídos a este material a medida que se extrae del reactor.
Ejemplo 3
Hay muchos procesos industriales y urbanos que producen una gran cantidad de residuos orgánicos adulterados que no son aceptables para ningún producto comercializado para consumo animal. Estas fuentes de residuos orgánicos pueden incluir residuos de mataderos de reses, la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos (FORSU), lodos de aguas residuales, lodo de fábricas de papel, residuos de desmontadoras de cápsulas de algodón
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y otras fuentes. Estas materias primas pueden utilizarse para producir un fertilizante secado y granulado con altos niveles de extractos orgánicos, nitratos y fosfatos (FIG l0). El proceso de FEG descrito en el presente documento puede utilizarse para convertir los hidratos de carbono y la celulosa en proteína y proporcionar agua regenerada a la instalación de acogida. El proceso de FEG reducirá la masa de material que va a transportarse como fertilizante del 80 % al 95 %, reduciendo significativamente los costes de transporte. Este material de fertilizante puede fabricarse en equipo similar al tren de PAAP mostrado en la FIG 9, y suministrarse en una forma granulada de liberación lenta.
Ejemplo 4
Puede fabricarse un segundo producto a partir del material de materia prima adulterado usando el mismo tren de equipo que el fertilizante seco mostrado en la FIG 10. Extrayendo la biomasa en un punto en el proceso antes de que se haya deshidratado o desnaturalizado completamente, la FEG puede producir un material líquido con muchos microbios vivos para complementar los microbios que se encuentran nativamente en suelos (FIG 11). La bibliografía indica que muchos de los microbios encontrados en el rumen también se encuentran en suelos sanos, y frecuentemente son consumidos por el rumiante mientras pastorea (Hungate, 1966). Observaciones han mostrado que las suspensiones de biomasa de FEG líquidas son eficaces en estimular el crecimiento de las plantas. El método de extracción y la administración de estos microbios vivos al suelo a una profundidad para minimizar el contacto con el oxígeno requerirán técnicas de manipulación que preservan los microbios en un estado vivo.
El uso de un sistema de inyección de líquido en la granja permite la administración de microbios anaerobios en una condición viva, para reinocular suelos que tienen sus microbios endógenos agotados. Este equipo sería similar al usado hoy en día para la incorporación de amoniaco líquido en suelos agrícolas.
Ejemplo 5
Procesamiento de extractos orgánicos adulterados en biomasa que posteriormente se separa en especies separadas de materiales de proteína usando dispositivos de extracción en cascada como se muestra en la FIG 12. El material suministrado a esta unidad sería la fracción de biomasa húmeda normalmente enviada a la Unidad N.° 4, deshidratación de biomasa, que consiste en o que comprende las células más las proteínas, enzimas y aminoácidos no incorporados en las células. Este proceso puede ser instalado en sitios de FEG específicos o en una instalación central que puede servir de UCR.
El proceso consiste en o comprende una serie de elementos de filtro grueso que han sido incorporados en sitios funcionales incorporados con productos químicos específicos capaces de unirse a proteínas específicas. Puede haber un gran número de estos elementos de filtro en el tren, donde cada elemento está funcionalizado para eliminar una especie de proteína separada o familia de proteínas.
Las FIG 13 y 14 ilustran un diagrama de flujo para uno o más procesos o métodos según una o más realizaciones desveladas en el presente documento.
Ejemplo 6
(ilustrativo, no realización de la invención como se define en la reivindicación 1)
Fermentación en ecosistemas gestionados (FEG) con residuos de cocina como materia prima
Se estableció un sistema de FEG inoculando una materia prima de residuos de cocina obtenidos de un restaurante local con rumen de una vaca canulada alimentada con una dieta láctea para vacas secas. Este experimento demuestra la capacidad del material de rumen para degradar la materia prima de residuos de cocina en productos químicos que incluyen ácidos grasos volátiles (AGV) y biomasa durante un periodo de cultivo de más de 10o días en un sistema no estéril a 39 °C y próximo a presión atmosférica. Este experimento demuestra la robustez y estabilidad de la FEG para producción continua de productos químicos y biomasa.
Los residuos de cocina se obtuvieron como un muestreo al azar de restos y se recogieron en lotes de 5 galones (18,9 l). Los residuos de cocina se molieron en una mezcladora a un tamaño de partícula máximo de aproximadamente 1/8 de pulgada (3,2 mm) de diámetro y se guardaron fuera en un cubo con una tapa no sellante. No se hizo intento por mantener la materia prima de residuos de cocina sellada o estéril. El rumen bovino fue de una vaca canulada alimentada con una dieta láctea para vacas secas y el rumen se obtuvo con poca de la estera flotante encontrada dentro del órgano del rumen. El rumen se almacenó como un cultivo activo en una estufa de incubación a 39 °C durante más de 100 días con eliminación regular de material, dilución con saliva artificial (preparada como se describe en la página 167 de Hungate, 1966, The Rumen and Its Microbes, Academic Press, New York), y alimentado con una dieta de heno Timothy comprimido en gránulos (vendido comercialmente en tiendas para animales como alimento para conejos).
La FEG se realizó usando los siguientes materiales y métodos. La FEG se llevó a cabo en un recipiente de vidrio de 1 galón (3,8 l) que tenía una tapa metálica unida por tornillos roscados moldeados en el vidrio. Se colocaron tres litros de líquido de fermentación en el recipiente de vidrio. El líquido de fermentación se preparó mezclando (aprox. 450 ml) de los residuos de cocina molidos con (aprox. 1 litro) de saliva artificial preparada como se ha descrito
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anteriormente. El líquido de fermentación se colocó en el recipiente de fermentación y se inoculó con 500 ml del rumen bovino. La tapa del recipiente de fermentación se modificó para proporcionar un tubo de ventilación (tubo de poli de % de pulgada (6,35 mm)) y un disco de ruptura de película de plástico, establecido a una presión de alivio de aproximadamente 20 pulgadas de agua (4982 Pa). El otro extremo del tubo de ventilación se sumergió en un frasco de agua amoniacal para suministrar una resistencia en el frasco de aproximadamente 3 pulgadas (747 Pa) y también proporcionar control del olor neutralizando los vapores de ácido carboxílico producidos por la fermentación. La FEG se llevó a cabo en una estufa de incubación Dual Program Illuminated Incubator modelo 818 de temperatura de constante mantenida a 39 °C (+/-0,5 °C) (PRECISION, THERMOFISHER).
La FEG se mantuvo en un ciclo de 24 horas usando un proceso diario de eliminación y alimentación de material. El material se extrajo del recipiente de FEG usando un sistema de vacío del siguiente modo. Se fabricó una boquilla de extracción de tubería de PVC de A pulgada (1,27 cm), con un orificio de ventilación para control por el operario de la tasa de extracción. La manguera de recogida se fabricó de una manguera flexible de 1 pulgada (2,54 cm) nominal con cabezales de caucho moldeados. Los cabezales se modificaron para conectar con las boquillas de PVC de A pulgada (1,27 cm) y accesorio de manguera de recogida de PVC de % de pulgada (1,9 cm) en el tanque receptor de la extracción. El tanque receptor de la extracción se fabricó de un cubo de plástico de 5 galones (18,9 l) con tapa resellable. La tapa se modificó con la adición de 1) un accesorio de suministro de vacío (accesorio de mamparo de % de pulgada (0,6 cm) de tubo roscado) para conectar el tanque receptor con el ensamblaje de bomba de vacío; 2) un accesorio de manguera de recogida (accesorio de mamparo de tubería de PVC de % de pulgada (1,9 cm) y conexión de deslizamiento de la manguera) para conectar la manguera de recogida; y 3) un regulador de vacío para limitar el vacío dentro del recipiente de extracción a un valor que no colapsará el recipiente, pero todavía permitirá succión suficiente para extraer los materiales de FEG del recipiente de fermentación. La bomba de vacío era una bomba de vacío dental estándar, modelo 5711-130, fabricada por (SCHUCO, Williston Park, NY). Se ha proporcionado un conjunto de interruptor para comodidad del operario.
La observación del cultivo de fermentación mostró la formación de una estera de material en la parte superior del cultivo, una capa de líquido debajo de la estera, y una capa de material sedimentado en el fondo. El material de estera contuvo tanto material orgánico como material de lípido. Cada día, se midió el pH de la FEG y se extrajo una muestra de la capa de líquido para análisis por cromatografía de gases (CG). El pH se midió insertando una sonda de pH (ORION Modelo 420A con una sonda de pH YSI-110-1) a través de la estera en la parte superior del cultivo de fermentación en la capa de líquido inferior. El medidor de pH se calibró usando un patrón de pH 10,0 y pH 4,0 para proporcionar una calibración de dos puntos y se verificó con un patrón de pH 7,0. La muestra para análisis de CG se obtuvo insertando una pipeta Pasteur a través de la estera superior del cultivo y extrayendo 1,5 ml del líquido por debajo de un tubo de muestra claro, acidificando con 2 gotas de ácido muriático, y sellando el tubo. A continuación, la FEG se mantuvo extrayendo aproximadamente 1/3 del cultivo de fermentación total. Se extrajeron por separado aproximadamente 1/3 de cada una de la estera, la capa de líquido y la capa inferior sedimentada. La extracción de las porciones de líquido y de fondo se realizó por aspiración y la extracción de la porción de estera superior se realizó sacando con una espátula. Entonces se añadieron aproximadamente 500 ml de la materia prima de residuos de cocina y aproximadamente 500 ml de la saliva artificial de nuevo a la fermentación. El pH se midió otra vez y se registró. La fermentación se burbujeó con CO2 usando una lanza durante aproximadamente 10 segundos con el regulador de CO2 establecido a 5 psi (aproximadamente 34,5 kPa). Se reinstaló la tapa del recipiente de fermentación y se unió el tubo de ventilación de gas que conecta el accesorio de mamparo en la tapa con el frasco de agua amoniacal.
La actividad de fermentación por la FEG se determinó por análisis de CG. La capa de líquido que se muestreó de la FEG diariamente como se ha descrito anteriormente se probó por CG para la presencia de productos químicos que incluyen ácido acético, ácido propriónico, ácido isobutírico, ácido butírico, ácido isovalérico, ácido valérico, ácido láctico, ácido hexanoico y glicerol. Las muestras de la capa de líquido de la FEG se ejecutaron en un cromatógrafo de gases HP 5890 Series II con detector FID. La columna fue una RESTEK MXT-WaXdA 30 m x 0,53 mm de DI x 1,00 um df, que tenía una temperatura de operación máxima de 240 °C. El programa de temperatura usado fue inicial 40 °C, mantenimiento durante 2 min, rampa 10 °C/min a 220 °C, mantenimiento durante 1 min a 220 °C. La CG/FID se unió a un SRI modelo 202 PEAKSIMPLE CHROMATOGRAPHY DATA SYSTEM controlado mediante una conexión en serie a un PC. El PC usó el software PEAKSIMPLE 3.85 (SRI INSTRUMENTS) para datos de calibración y de procesamiento. La posición de picos y la calibración de áreas se hizo usando un método de 4 puntos en soluciones estándar de concentraciones conocidas de metanol, acetona, etanol, butanol, ácido acético, ácido propriónico, ácido isobutírico, ácido butírico, ácido isovalérico, ácido valérico, ácido hexanoico y ácido láctico. Los experimentos se analizaron usando estas calibraciones. El análisis de datos se realizó usando el software OPEN OFFICE CALC y ORIGIN 7.5 (ORIGINLAB, Inc.).
La FIG 15 es un gráfico que muestra la presencia y fluctuación diaria (durante un periodo de 30 días) en la capa de líquido de la FEG de cada uno de los AGV: ácido acético, ácido butírico, ácido valérico y ácido hexanoico como porcentaje, además del porcentaje total de estos 4 AGV. La FIG 16 es un gráfico que muestra la fluctuación diaria en el pH (símbolos redondos) y el porcentaje total de los 4 AGV ácido acético, ácido butírico, ácido valérico y hexanoico (símbolos cuadrados) medido en la capa de líquido de la FEG durante un periodo de 30 días. Estos datos demuestran que la FEG fue lo suficiente robusta para resistir a las amplias oscilaciones en el pH que ocurrieron en la fermentación.
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Ejemplo 7
Efecto del pH sobre la producción de productos químicos en la fermentación en ecosistemas gestionados (FEG)
Este experimento se realizó para determinar el efecto de controlar el pH de la FEG sobre la producción de productos químicos que incluyen AGV. La FEG se estableció y se mantuvo como se ha descrito anteriormente en el Ejemplo 6. El cambio en el procedimiento diario en esta FEG era el ajuste del pH final después de alimentar mediante la adición de bicarbonato sódico al cultivo de FEG en una cantidad suficiente para elevar el pH a un valor de 5,9 a 6,1. La FIG 17 es un gráfico que muestra el porcentaje diario de cada uno de los AGV ácido acético, ácido butírico, ácido valérico y ácido hexanoico, además del porcentaje diario del total de estos 4 AGV para la FEG descrita anteriormente con ajuste diario del pH dentro de un intervalo 5,9 - 6,1. Los datos en la FIG 17 muestran que ajustar el pH de la FEG cada día a dentro de un intervalo de 5,9 - 6,1 produjo un aumento del rendimiento de AGV.
Ejemplo 8
Residuos de biodiésel como materia prima para la fermentación en ecosistemas gestionados (FEG)
En este experimento se usó una FEG para convertir el fluido residual de proceso de la fabricación de biodiésel en productos químicos que incluían AGV y biomasa. El residuo de biodiésel es principalmente glicerol y también incluye hidratos de carbono, lípidos, triglicéridos, y una cantidad significativa de metanol. El residuo de biodiésel para este experimento se obtuvo de una planta de fabricación de biodiésel local para la que es un producto residual y posiblemente un problema de deposición. Este material era un líquido negro denso, con viscosidad algo inferior al glicerol puro. El material residual de biodiésel se almacenó en garrafas de plástico de 1 galón (3,8 l), sin controles ambientales antes de la adición a la FEG como materia prima.
Se determinó por primera vez en un experimento de control que la FEG según el Ejemplo 6 era capaz de producir AGV cuando se añadió glicerol de calidad para reactivo a la materia prima. La adición de glicerol de calidad para reactivo produjo un aumento de la actividad de fermentación y generación de gas, además de elevada producción de AGV con consumo total del glicerol como se muestra en las series de CG (datos no mostrados). Para el experimento con residuo de biodiésel añadido, la FEG se estableció y se mantuvo como se describe en el Ejemplo 6 excepto que los 100 ml de residuo de biodiésel se añadieron cada día a la FEG. La fase líquida de la FEG se muestreó cada día como se describe en el Ejemplo 6 y se analizó por CG. El impacto del metanol en el residuo de biodiésel llegó a ser evidente cuando la concentración de metanol ascendió por encima de aproximadamente el 2 %. Este alto nivel de metanol pareció dañar la FEG y la mayoría de las concentraciones de AGV se redujeron enormemente durante varios días. La FIG 18 es un gráfico que muestra el porcentaje de AGV total en una FEG de control y una FEG con residuo de biodiésel añadido, donde la FEG con residuo de biodiésel añadido se representa por la línea con cuadrados y la FEG de control se representa con triángulos. Como resultó de la disminución observada en la producción de AGV, la cantidad de residuo de biodiésel añadido a la FEG cada día se redujo a 10 ml. Después de varios días a este nivel reducido de residuo de biodiésel, se restauraron la FEG recuperada y las concentraciones de AGV, pero entonces los niveles de metanol superaron otra vez el 2 % y disminuyeron las concentraciones de AGV (véase la FIG 18 entre los días 12 y 30).
Ejemplo 9
Adición de Clostridium acetobutylicum a la fermentación en ecosistemas gestionados (FEG)
En este experimento, se añadieron bacterias adicionales a la FEG. En este caso, la cepa bacteriana, Clostridium acetobutylicum, una bacteria productora de ácido butírico, se añadió a la FEG para determinar si la producción de ácido butírico total podría aumentarse sin afectar negativamente la estabilidad y robustez de la FEG. C. acetobutylicum fue originariamente comprada de CAROLINA BIOLOGICAL SUPPLY, INC (Burlington, North Carolina) y se cultivó a partir de esporas o harina de maíz esterilizada, según los procedimientos desarrollados por Commercial Solvents Corporation (Butanol and Acetone from Corn, DH Killiffer, Industrial and Engineering Chemistry, vol 19, No 1, 1927). Se estableció una FEG con C. acetobutylicum añadido añadiendo 500 ml del cultivo de C. acetobutylicum y se trató de otro modo como la FEG en el Ejemplo 6. Se realizó una FEG establecida y mantenida según el Ejemplo 6 como experimento de control. Los cultivos de FEG se mantuvieron durante un periodo de al menos 30 días, y no se observaron cambios significativos en la estabilidad o robustez de la FEG con el C. acetobutylicum añadido. El porcentaje de producción de los AGV ácido acético, ácido butírico, ácido valérico y hexanoico en la FEG de control y la FEG con C. acetobutylicum añadido se muestran en la Tabla 3 a continuación. La adición de C. acetobutylicum a la FEG produjo operación más estable que la fermentación de control en términos de pH y producción de aGv. La cantidad promedio de 45 días de ácidos totales producida por unidad de volumen de fermentación pareció ser aproximadamente el 8 % más alta con la adición de las bacterias de C. acetobutylicum; sin embargo, hay un desplazamiento de aproximadamente el 15% del ácido acético a ácidos valérico y hexanoico, como se mide por muestras diarias en el cromatograma de gases.
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Tabla 3. Comparación de FEG de control y FEG con Clostridium acetobutylicum añadida (promedio de 45 días)
Ácido acético Ácido butírico Ácido valérico Ácido hexanoico AGV totales
FEG de control
0,27 % 0,59 % 0,20 % 0,20 % 1,29 %
Más C. acetobutylicum
0,23 % 0,56 % 0,21 % 0,22 % 1,39 %
Diferencia en porcentaje
-15% -5% +5% + 10% + 8%
Ejemplo 10
Variación de la materia prima en la fermentación en ecosistemas gestionados (FEG)
Los experimentos presentados a continuación son ejemplos de modificación de las materias primas en FEG. Se observó que la adición de amoniaco a una FEG produjo un aumento visiblemente significativo en la tasa de fermentación. Como resultado, se describen experimentos usando adición diaria de amoniaco y diversas materias primas.
Se realizó un experimento donde se estableció una FEG y se mantuvo según el Ejemplo 6 (es decir, la materia prima era residuo de cocina que es una materia prima de nitrógeno alto), excepto que se añadieron 20 ml de amoniaco doméstico, con una concentración de aproximadamente 8 % de NH3, a la FEG diariamente. Este experimento se realizó para determinar si la adición de una fuente de nitrógeno a una FEG que ya estaba siendo cultivada en una materia prima de nitrógeno alto aumentaría adicionalmente la producción de AGV. Los datos en la Tabla 4 a continuación muestran el efecto sobre el porcentaje de cada uno de los AGV ácido acético, ácido butírico, ácido valérico y ácido hexanoico producidos para esta fEg que recibe la adición de amoniaco con respecto a un FEG de control establecido y mantenido según el Ejemplo 6. Los datos en la Tabla 4 demuestran que la adición de amoniaco a la FEG produjo un aumento significativo en la producción de ácido global, con los mayores logros en ácido acético y hexanoico.
Tabla 4. Comparación de FEG de control y FEG con adición diaria de amoniaco
Ácido acético Ácido butírico Ácido valérico Ácido hexanoico AGV totales
FEG de control
0,27 % 0,59 % 0,20 % 0,20 % 1,29 %
Más amoniaco diario
0,41 % 0,63 % 0,20 % 0,28 % 1,63 %
Diferencia en porcentaje
+52% + 7% 0,00% +40% +26 %
En el siguiente experimento se establece una FEG y se mantiene con una combinación de materia prima de alto nitrógeno residuo de cocina y materia prima alto carbono/bajo nitrógeno pulpa de madera. Además, se añade amoniaco a la FEG diariamente. Más específicamente, la FEG se establece y se mantiene como se describe en el Ejemplo 6, excepto que la materia prima es una combinación de residuo de cocina y pulpa de madera a una relación de aproximadamente 90:10 y, además, la FEG se complementa con 20 ml de amoniaco doméstico diariamente como se describe en este ejemplo anteriormente.
En el siguiente experimento, se establece una FEG y se mantiene, excepto que se utiliza una materia prima de combinación que comprende residuo de cocina y tiras de papel de periódico de nitrógeno bajo como materia prima para la FEG. Más específicamente, se establece una FEG y se mantiene como se describe en el Ejemplo 6, excepto que la materia prima es una combinación de residuo de cocina y tiras de papel de periódico a una relación de aproximadamente 90:10 y, además, la FEG se complementa con 20 ml de amoniaco doméstico diariamente como se describe en este ejemplo anteriormente.
En el siguiente experimento, se establece una FEG usando una materia prima de combinación donde cada uno de los componentes de la materia prima carece de o bien nitrógeno suficiente o bien carbono suficiente por sí mismos para mantener la FEG. Específicamente, en este experimento se establece una FEG y se mantiene como se describe en el Ejemplo 6, excepto que la materia prima es una mezcla de aproximadamente 10 % de lodos de aguas residuales de carbono bajo/nitrógeno alto y aproximadamente 90 % de residuo municipal de carbono alto/nitrógeno bajo.
Ejemplo 11
Variación de rumen en la fermentación en ecosistemas gestionados (FEG)
Los siguientes experimentos describen FEG establecidos usando rumen de diferentes animales o combinaciones de diferentes rúmenes.
5 En este experimento, se estableció una FEG y se mantuvo como se describe en el Ejemplo 6, excepto que el rumen bovino se sustituyó con rumen de oveja. Para este experimento, se obtuvieron inicialmente 60 ml de rumen de oveja de un veterinario y se cultivaron durante varios días como se ha descrito anteriormente para el rumen bovino en el Ejemplo 6 aun volumen de más de un galón (3,8 l). En ese momento, se estableció una FEG y se mantuvo como se ha descrito anteriormente en el Ejemplo 6. El uso de rumen de oveja demostró ser fiable, pero con rendimientos de 10 ácido globales más bajos. El aumento se midió en producción de ácido acético.
Tabla 5. Comparación de FEG de control y FEG de rumen de oveja
Ácido acético Ácido butírico Ácido valérico Ácido hexanoico AGV totales
FEG de control
0,27 % 0,59 % 0,20 % 0,20 % 1,29 %
FEG de rumen de oveja
0,41 % 0,30 % 0,13 % 0,10 % 1,05 %
Diferencia en porcentaje
+52% -49% -35,00% -50% -20%
En este experimento, se usó una combinación de rumen bovino y rumen de oveja en una FEG. Para este experimento, se estableció una nueva FEG y se mantuvo como se describe en el Ejemplo 6, excepto que se usaron 15 750 ml de cada uno de rumen bovino y rumen de oveja cultivados en una FEG con 1 litro de saliva artificial para
establecer la nueva FEG. La Tabla 7 a continuación muestra una comparación de producción de AGV por la FEG de control y la FEG se estableció con cantidades iguales de rumen bovino y de oveja. La inclusión del rumen de oveja en la fEg produjo una disminución en los AGV totales promedio producidos por la fermentación. Aunque aumentó el ácido acético, los otros niveles de producción de ácidos significativos disminuyeron en la materia prima de residuos 20 de cocina.
Tabla 6. Comparación de FEG de control y FEG con mezcla de rumen bovino/de oveja
Ácido acético Ácido butírico Ácido valérico Ácido hexanoico AGV totales
FEG de control
0,27 % 0,59 % 0,20 % 0,20 % 1,29 %
Bovino más oveja
0,41 % 0,30 % 0,12 % 0,12 % 1,03 %
Diferencia en porcentaje
52% -49% -40% -40% -20%
En este experimento, se establece una FEG y se mantiene por que el rumen se complementa con lombrices de tierra trituradas para proporcionar microbios de lombrices de tierra a la FEG basándose en el uso de vermicultura 25 para compostaje. Específicamente, se establece una FEG y se mantiene según el Ejemplo 6, excepto que se incluye 1 litro de lombrices recién trituradas con la adición del rumen en el establecimiento de la FEG.
En este experimento, se establece una FEG y se mantiene por que el rumen se complementa con termitas molidas para proporcionar microbios de termitas a la FEG basándose en el uso de enzimas de celulasa a partir de termitas para degradar la celulosa (Tokuda & Watanabe, 2007). Específicamente, se establece una FEG y se mantiene 30 según el Ejemplo 6, excepto que se incluye 1 litro de termitas recién trituradas con la adición del rumen en el establecimiento de la FEG.
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35 Bata, Lasztity, "Detoxification of mycotoxin - contaminated food and feed by microorganisms," Trends in Food
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Brooker, "Tannins in Livestock and Human Nutrition," ACIAR Proceedings No. 92, 2005
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Feitshans, "Federal Regulation of Industrial Biotechnology in the United States, IEA Conference," 2011.
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Weimer, "Manipulating Ruminal Fermentation: A Microbial Ecological Perspective," J. Anim. Sci. 76:3114-3122, 1998.

Claims (10)

  1. 5
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    REIVINDICACIONES
    1. Un método ex vivo de generación de recursos a partir de materias primas, comprendiendo el método:
    (a) fermentar una materia prima orgánica que comprende residuos de cocina o lodos de aguas residuales con un rumen o material de rumen tomado de un animal rumiante para generar un recurso, y
    (b) añadir al menos una sustancia capaz de ser utilizada como fuente de nitrógeno en la fermentación, en el que la sustancia está seleccionada del grupo que consiste en amoniaco, urea, aminoácidos y aminas, y combinaciones de los mismos.
  2. 2. Un sistema de generación de recursos de materias primas orgánicas, comprendiendo el sistema:
    (a) una trituradora/mezcladora configurada para recibir una materia prima orgánica que comprende residuos de cocina o lodos de aguas residuales, y un rumen o material de rumen; y
    (b) un fermentador que comprende (i) la materia prima orgánica que comprende residuos de cocina o lodos de aguas residuales, (ii) rumen o material de rumen y (iii) al menos una sustancia capaz de ser utilizada como fuente de nitrógeno, en el que la sustancia está seleccionada del grupo que consiste en amoniaco, urea, aminoácidos y aminas, y combinaciones de los mismos, y en el que el fermentador está configurado para fermentar la materia prima orgánica para generar un recurso.
  3. 3. El método de la reivindicación 1 o el sistema de la reivindicación 2, en el que la sustancia es amoniaco.
  4. 4. El método de la reivindicación 1 o el sistema de la reivindicación 2, en el que el rumen o material de rumen es bovino, de oveja, cabra, reno, bisonte, o combinaciones de los mismos.
  5. 5. El método de la reivindicación 1 o el sistema de la reivindicación 2, en el que el recurso generado comprende lípidos, ácidos grasos volátiles, ácidos grasos de cadena larga, ácido acético, ácido propiónico, ácido isobutírico, ácido butírico, ácido isovalérico, ácido valérico, ácido láctico, ácido hexanoico, biomasa, pienso para animales de alta proteína, fertilizante, proteínas, aminoácidos, enzimas, etanol, butanol, biogás, agua, y combinaciones de los mismos.
  6. 6. El método de la reivindicación 1, que comprende además la etapa de recircular la materia prima orgánica que no se ha digerido mediante una trituradora/mezcladora.
  7. 7. El método de la reivindicación 1, que comprende además la etapa de fraccionar uno o más de los recursos, en el que los recursos están seleccionados del grupo que consiste en lípidos, productos químicos, biogás y biomasa.
  8. 8. El método de la reivindicación 1, que comprende además la etapa de añadir uno o más de una bacteria, una levadura, un hongo, un protozoo, microbios de lombrices de tierra, microbios de termitas, microbios del ciego, microbios del ciego de conejo, microbios del ciego de caballo, o combinaciones de los mismos.
  9. 9. El sistema de la reivindicación 2, en el que el fermentador comprende uno o más de una bacteria, una levadura, un hongo, un protozoo, microbios de lombrices de tierra, microbios de termitas, microbios del ciego, microbios del ciego de conejo, microbios del ciego de caballo, o combinaciones de los mismos.
  10. 10. El sistema de la reivindicación 2, en el que el recurso comprende productos químicos, biomasa, lípidos y biogás, y en el que el fermentador está configurado para fraccionar el recurso productos químicos, biomasa, lípidos y biogás, comprendiendo el sistema además;
    una unidad de separación de productos químicos configurada para generar un producto químico; y una unidad de separación de biomasa configurada para generar un producto de biomasa.
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