ES2665270T3 - Instalación solar-gas con varios modos de funcionamiento - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la fabricación de biogás en un fermentador combinado, en el que microorganismos fotótrofos (1) que están en una primera sección (2) fabrican material orgánico, especialmente ácido glicólico, a partir de dióxido de carbono y oxígeno y que secretan en un medio (3) (modo de producción), que se conduce a una segunda sección (4), donde metanógenos (5) fabrican a partir del mismo biometano y dióxido de carbono en condiciones anóxicas, que se caracteriza porque el medio (3), durante la transición de la primera sección (2) a la segunda sección (4) se desgasifica del oxígeno y al retornar se regasifica con oxígeno (modo de intercambio).

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

DESCRIPCION

Instalación solar-gas con varios modos de funcionamiento.

La invención se refiere a un procedimiento para separar material orgánico de la sección aerobia de un fermentador combinado y su transformación en biometano en la sección anaerobia, así como un dispositivo para la ejecución del procedimiento.

La producción de biogás a partir de las plantas es una tecnología prometedora para lograr la transición energética. Debido a su fácil almacenabilidad y alto contenido de energía, el biogás representa uno de los vectores energéticos más efectivos. Sin embargo, debido a las limitaciones legales y de espacio, desde 2012 está prácticamente estancada a la construcción de nuevas instalaciones de biogás en países pioneros como Alemania (previsión de la Asociación técnica de biogás de junio de 2014, según la cual el número de sistemas instalados solo aumentará en 61, llegando a 8005, hasta 2015). Además del alto consumo de tierras de cultivo, el aumento cada vez mayor de los costes de cultivo de alimentos, el laborioso crecimiento, así como la cosecha de las plantas y la depuración del biogás, otro problema es el suministro central del vector energético a la población, ya que requiere mucha energía.

En comparación con las plantas terrestres, los microorganismos fotótrofos (PTM), a los que pertenecen, entre otros, las cianobacterias, las algas marinas y las macroalgas tienen índices de crecimiento superiores y una mayor productividad en proporción a la superficie (Dismukes et al. 2008; Bericht des FHI 2011). El cultivo de los PTM no entra en conflicto con la producción de alimentos, ya que un cultivo de PTM no está vinculado a la utilización de la tierra de cultivo. Los PTM son más bien muy poco exigentes y pueden cultivarse en lugares que no son utilizables por la agricultura y la industria, como en superficies selladas, regiones costeras, sobresuelos improductivos, como por ejemplo, en el desierto o en fuentes de agua salada que no tienen una calidad del agua aprovechable. Los PTM, en el sentido más amplio, solo necesitan dióxido de carbono, sol y elementos de traza para vivir y crecer. La independencia que esto crea, permite un suministro descentralizado de energía rentable a la población.

Los PTM, con más de 45.000 tipos diferentes estimados, representan un potencial biotecnológico y económico que no ha sido agotado todavía ni muchísimo menos. Dado que, en comparación con las plantas, utilizan dióxido de carbono para la formación de material orgánico que se libera de nuevo durante la combustión, el dióxido de carbono puede reciclarse energéticamente sin contribuir al calentamiento global. La simple fermentación de los PTM para crear biogás no es muy efectiva, ya que el biogás generado se contamina con amoníaco y sulfuro de hidrógeno y la depuración del biogás, así como el pretratamiento de los PTM cuesta mucha energía. Por el contrario, se detectó que los PTM que no crecían y que comparativamente con las fábricas microscópicas forman material orgánico o inorgánico, son apropiados para la producción de biogás puro. No necesitan abonos y el consumo de energía es muy bajo en la fase de producción, después del crecimiento. Los PTM no fabrican biogás por sí mismos. Sin embargo, pueden fabricar un producto intermedio que puede ser metabolizado en biogás por un organismo asociado, siendo en general ambos procesos más efectivos que la fabricación de un vector energético solo por parte de los PTM.

Por medio de DE102007031688A1 se conoce un procedimiento en el que las algas producen hidrógeno y oxígeno a partir de dióxido de carbono y agua, que en un paso posterior se transforman en metano por medio de bacterias metanógenas. CN103571876A ha perfeccionado este método mediante la regulación de la emisión de oxígeno perturbadora de las algas. Ambos procedimientos tienen el inconveniente de que se forma almidón que consume mucha energía, a partir del que se crea posteriormente hidrógeno y oxígeno. Se ha puesto de manifiesto que la obtención de energía a través de la fotovoltaica es más eficiente que a través de la fotosíntesis mediante la síntesis de la glucosa (Blankenship R.E. et al. 2011). Con la radiación de luz natural, la eficiencia es realmente de solo entre el 1 y el 2 % (Barber J. 2009). A ello hay que añadir la pérdida de la energía mediante la transformación en

5

10

15

20

25

30

35

40

hidrógeno, que produce una eficiencia del 0,005 % con las cianobacterias comparables. Solo mediante la modificación genética se alcanzó una eficiencia del 1 % aprox. (Masukawa H. et al. 2012).

DE102010040440A1 corresponde a un biorreactor en el que se suministra dióxido de carbono y oxígeno a microorganismos activos fotosintéticamente y de este modo desprenden glicolato que se separa por medio de una membrana y que en condiciones anaerobias sirve como sustrato para microorganismos metanogénicos, que lo transforman en dióxido de carbono y metano. El método tiene el inconveniente de que no hay ninguna membrana selectiva exclusiva para el glicolato y que una cámara de separación no es suficiente para reducir lo bastante el contenido de oxígeno. Además, no se aclara cómo llega al sistema el dióxido de carbono atmosférico. Para usar un dispositivo de mezcla de gases son necesarios depósitos de gas independientes con el gas purísimo respectivo, cuyo llenado perjudica el equilibrio energético, como mínimo. Otros problemas sin solucionar son el suministro de gas nutritivo u oxígeno a los microorganismos y el suministro de nutriente en el funcionamiento continuo, con dos medios diferentes. Además, no se tiene en cuenta que las bacterias metanógenas sin tratar se ven atacadas por ácidos orgánicos. El objeto del dispositivo según la invención de acuerdo con DE102009008601A1, es un dispositivo con tres cámaras, en el que entre la primera y la segunda cámara se produce un intercambio de gases a través de una membrana permeable al gas e impermeable a los líquidos, para el tratamiento de un fluido biológico y un intercambio de fluidos entre la primera y la tercera cámara, por medio de una membrana.

El problema debe solucionarse por medio de la invención, de modo que con una producción de material orgánico en un área parcial de un fermentador predominan altas presiones parciales de oxígeno, donde en otra área parcial que está en combinación con la primera pueden evitarse estas altas presiones parciales de oxígeno. Además, debe solucionarse el problema, de modo que el carbono del aire debe integrarse en el vector energético, a través de un proceso de fermentación, sin un gran consumo de energía.

Según la invención, la tarea se soluciona por medio del procedimiento descrito en la reivindicación 1, donde para la ejecución del procedimiento es apropiado el dispositivo descrito en la reivindicación 11.

La invención se basa en la base científica descrita a continuación.

Los PTM producen y segregan, en determinadas condiciones fisiológicas, material orgánico, por lo tanto, compuestos de carbono, como por ejemplo, ácidos carboxílicos orgánicos. Los Synechocystis sp. PCC 6803 inhibidos en la síntesis del glicógeno fabrican, por ejemplo, en caso de carencia de nitrógeno, ácido a-cetoglutárico y ácido pivúrico (Carrieri D. et al. 2015).

En la relación oxígeno-dióxido de carbono superior en comparación con el aire, los PTM producen en el ciclo de Calvin, con el que se fija el dióxido de carbono en condiciones normales y se utiliza para la formación de glucosa para el suministro de energía, un material orgánico especialmente interesante desde el punto de vista biotecnológico. Este fenómeno se basa en el hecho de que la ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/ oxigenasa (RuBisCO) alternativamente al dióxido de carbono también acepta oxígeno, donde el valor de KM para el oxígeno con 350 pMol/l es superior que para el dióxido de carbono con 9 pMol/l. Hace mucho tiempo, en la atmósfera terrestre había un contenido de oxígeno todavía tan bajo que este proceso no era relevante. En la reacción con el oxígeno, además de ácido 3-fosfoglicérico (3-PGA) se produce también ácido 2-fosfoglicólico (2-PG), que no puede utilizarse en el ciclo de Calvin ni de otro modo en el organismo y, por ello, debe reciclarse o segregarse a través de otras reacciones bioquímicas. La ruta metabólica utilizada para la regeneración del carbono para el ciclo de Calvin se considera como uno de los procesos más derrochadores de la tierra. Esta circunstancia puede aprovecharse, por otra parte, para la biotecnología natural en que se basa el procedimiento según la invención.

El tratamiento del 2-PG, el primer producto intermedio estable según el ciclo de Calvin, es diferente en cada organismo. El 2-PG se transforma por medio de la defosforilización en ácido glicólico (ácido hidroxiacético), en parte secretado (figura 11) y en parte metabolizado en ácido glioxílico (figura 10). Éste, a su vez, en parte es secretado o metabolizado de nuevo, generándose en parte peróxido de hidrógeno, glicina, L-serina, ácido a-cetoglutárico con

5

10

15

20

25

30

35

40

donantes de nitrógeno o ácido glutamínico (Bauwe H. 2011). A diferencia de las cianobacterias, las rutas metabólicas tienen lugar en los PTM eucarióticos en diferentes compartimientos. En su mayor parte, se regenera del 2-PG 3-PGA y se incluye de nuevo en el ciclo de Calvin, con lo que el dióxido de carbono se libera o "expira". Para producir ácido glicólico es necesario llenar el pool de ribulosa-1,5-bisfosfato, lo que solo puede producirse mediante la absorción provisional del dióxido de carbono. Para la producción de sustancias orgánicas también pueden utilizarse microorganismos fotótrofos, que disocian lípidos u otros hidrocarburos de cadena larga (pierden el material de la pared celular), por ejemplo, la especie Botryococcus. La utilización de lípidos produce una mejora del contenido de metano en la descomposición anaerobia.

Las arqueas, que producen biometano, llamadas metanógenos, utilizan material orgánico, con el que crean biometano. Para ello se diferencia entre metanógenos, que disocian acetato (acetótrofos) y oxidantes del hidrógeno (hidrogenótrofos). Los metanógenos acetótrofos disocian grupos de metilo de material orgánico y los reducen a biometano. Para ello utilizan la coenzima metanofenazina. Entre ellas se encuentran, por ejemplo, las methanosarcinas. En 1973 ya pudo demostrarse que los microorganismos anóxicos solo pueden crecer con ácido glicólico como única fuente de carbono (Kurz W.G.W. et al. 1973; Edenborn H.M. et al. 1985). Friedrich M. et al. 1991 y Friedrich M. et al. 1996 descubrieron dos cepas acetótrofas que crecían sobre el ácido glicólico y que producen metano en un cultivo mixto, donde se aplica: 4 C2H4O3 (ácido glicólico) -> 3 CH4 + 5 Co2 + 2 H2O. Egli C. et al. 1989 mostraron que los metanógenos con acetato monoclórico y biclórico pueden vivir como fuente de carbono y de energía.

Por el contrario, los metanógenos hidrogenótrofos como los Methanococcus, Methanobacterium y Methanopyrus, por el contrario, forman metano mediante la reducción del dióxido de carbono con hidrógeno produciendo metano y agua o mediante la transformación de ácido fórmico. No disponen de la enzima metanofenacina. La mayor parte de los metanógenos necesitan un medio anóxico, de pH neutro y ligeramente básico, con un mínimo del 50 % agua. Los sedimentos en las aguas, los suelos inundados, como los pantanos y los campos de arroz, el estiércol, los purines y el intestino de los rumiantes son biotopos excelentes para los metanógenos. Los inhibidores de los metanógenos son los ácidos orgánicos, desinfectantes y el oxígeno.

La ecuación de la reacción para la formación de biometano en el curso del proceso general según la invención es: CO2 + 2H2O -> CH4 + 2O2.

Para habituar los microorganismos a los componentes de medios especiales, fuentes de nutrición y productos finales metabólicos de otros microorganismos, los microorganismos se adaptan gradualmente a los componentes. Esto se genera en un turbidostato, que cuando se produce una reducción del crecimiento o de la densidad de población, reduce el aflujo de medio con el componente al que debe habituarse y aumenta el aflujo del medio más apropiado para el crecimiento. Con este sistema, entre otras cosas, se aprovecha que algunos microorganismos disponen de rutas metabólicas de forma evolutiva que no necesitan en sus biotopos preferidos respectivos. En los proyectos a largo plazo se crean también cepas estables mediante mutaciones. A través de este método resulta posible adaptar los metanógenos al material orgánico, especialmente los ácidos orgánicos, como única fuente de carbono o energía, sin manipulación genética.

El procedimiento según la invención es más eficiente que la producción de biocarburantes con base de glucosa, donde la eficiencia de la síntesis de la glucosa es de solo 1-2 % (Linder H. 1998). Aproximadamente el 36 % de la energía solar irradiada se almacena en ATP por medio de la reacción a la luz de la fotosíntesis, ya que cuatro Einstein de luz roja de 172 kJ cada uno corresponden a 688 kJ y son suficientes para el transporte de 2 Mol de electrones o 218,9 kJ, con lo que 1 Mol de ATP se genera con 30,6 kJ (conjuntamente 249,5 kJ), lo que se utiliza para la fijación del carbono en el ciclo de Calvin. Junto con el consumo de NADPH, la eficiencia del ciclo de Calvin con formación y secreción es del 35 % aprox. (Nabors M.W. et al. 2007). La formación de metano por medio de las arqueas es muy eficiente, con un 70 % aprox. (Bernacchi S. et al. 2014). La eficacia total de la formación de

5

10

15

20

25

30

biometano según la invención se sitúa en el 25 % aprox. de la energía solar irradiada. De este modo, la eficacia es superior que con la fotovoltaica, que solo alcanza el 16 %.

A continuación se explica la solución según la invención.

En el procedimiento según la invención, los PTM fabrican material orgánico, en una primera sección del modo de producción, especialmente ácido glicólico en condiciones óxicas, a partir de dióxido de carbono y oxígeno y lo secretan en un medio. Para ello utilizan la luz solar y los elementos de traza existentes en el medio. Su crecimiento está regulado. No necesitan ningún abono para crecer ni otros componentes necesarios para el crecimiento en el medio. El material orgánico se secreta de forma natural. Se genera en las células mediante el uso de oxígeno, en lugar de dióxido de carbono (lado derecho en la figura 8).

Después de la producción del material orgánico, donde resulta ventajosa una irradiación luminosa de 100 a 200 pE/m2s durante más de una hora, en el modo de intercambio se alimenta el medio, que contiene el material orgánico, en una segunda sección en la que el material orgánico se transforma en biometano por medio de los metanógenos, en condiciones anóxicas. Durante la transición a la segunda sección, el medio se desgasifica del oxígeno, para que el oxígeno que es perjudicial para los metanógenos no llegue a la segunda sección. La metanogénesis no peligra hasta un contenido de oxígeno residual del 4 %. Por ejemplo, en referencia al ácido glicólico en el medio, se transforman 0,24 ml de biometano por mg de ácido glicólico. Un tampón permite, si se requiere, mantener el rango de pH necesario. En un circuito de fermentación general, por lo tanto, en un circuito correspondiente a ambas secciones del fermentador combinado, al retornar a la primera sección, el medio se regasifica con oxígeno, para poder restablecer las condiciones óxicas para la producción del material orgánico en la primera sección. El medio, en el que se encuentran los PTM, aquí por ejemplo, cianobacterias como Gloeothece 6909 y los metanógenos como el clostridium, como el Synthrophobotulus glycolicus o FlGlyM (Friedrich et al. 1996), así como Methanococcus maripuladis, tiene preferentemente, como mínimo, la composición siguiente:

Componente del medio

Cantidad en g/l

KH2PO4

0,12

K2HPO4

0,12

NaNO3

0,15

KCl

0,42

NH4O

0,25

CaCl2 x 2 H2O

0,12

Resazurina

0.75-10"3

Na2S x 9 H2O

0,40

NaHCO3

3,75

L-cisteína-HCl x H2O

0,40

EDTA

0,005

NaCl

4,50

MgCl2 x 6 H2O

1

Solución de elementos de traza SL-10 (según Wolfe)

1 ml

Solución de vitaminas (según el medio DSMZ 141)

10 ml

HEPES

3

El medio se obtiene de los componentes recomendados por DSMZ, Leibniz Institut - Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH y el medio basal de Bold apropiado para las cianobacterias (Stein J. 1973). En una forma de ejecución preferente del procedimiento según la invención, durante la que está interrumpido el contacto con la segunda sección, el medio se desgasifica de oxígeno y al retornar se gasifica con aire del entorno, después el aire del PTM se utiliza para la asimilación del carbono (modo de regeneración) y a continuación el medio se desgasifica de aire y al retornar se gasifica con oxígeno. Después del consumo del material orgánico en la segunda sección y del consumo de compuestos de carbono, que sirven como material inicial para la producción del

5

10

15

20

25

30

35

40

material orgánico en los PTM y que están especialmente presentes en la ruta reductiva de la pentosafosfato, lo cual es ventajoso después del doble al cuádruple de tiempo de irradiación de la luz en el modo de producción, resulta ventajoso iniciar el modo de regeneración. Sirve para llenar el pool de C3 en el ciclo de Calvin (Lorimer G.H. et al. 1981) y el suministro apropiado de carbono a los PTM (Figura 8). En el modo de producción, con una proporción de oxígeno superior, además de 2-PG se genera también 3-PGA (Figura 9), que se introduce de nuevo en el ciclo de Calvin. Sin embargo, con cada reacción de RuBisCO se pierde el carbono neto del ciclo de Calvin. Para compensar esta pérdida, es necesario reducir el contenido de oxígeno en favor del de dióxido de carbono. Para ello, el mejor es el aire atmosférico, cuyo dióxido de carbono, que produce el calentamiento global, debe consumirse. En presencia de dióxido de carbono, éste se transforma en 3-PGA. Una parte del mismo se utiliza para la regeneración del pool C3 y la otra parte para la formación de compuestos de carbono propios del cuerpo, como glucosa, para el suministro al organismo (Figura 8). En el modo de regeneración está interrumpido el contacto con la segunda sección. Los PTM se iluminan, ya que las enzimas del ciclo de Calvin solo están activas con iluminación.

Durante la transición del modo de producción con un contenido de oxígeno relativo alto en el medio, al modo de regeneración con aire disuelto en el medio, el medio se extrae preferentemente de la primera sección y se desgasifica de oxígeno. A continuación, el medio se gasifica preferentemente con aire y se suministra de nuevo en la primera sección, de modo que se establece un circuito de reactor parcial. El intercambio con la segunda sección está preferentemente interrumpido.

La transición del modo de regeneración al modo de producción se realiza preferentemente en el circuito de reactor parcial con el contacto interrumpido con la segunda sección, mediante la desgasificación del medio de aire y la gasificación con oxígeno.

En una forma de ejecución preferente del procedimiento según la invención, la proporción de dióxido de carbono respecto al oxígeno en el medio que se encuentra en la primera sección, en el modo de producción es baja, preferentemente 1:800 a 1:3000. Esto corresponde al rango en el que RuBisCO acepta más oxígeno y los precursores del material orgánico se producen a través de los PTM, sin que el contenido de oxígeno tenga un efecto tóxico. Por el contrario, la proporción en el modo de regeneración, de acuerdo con la composición del aire es de 1:500. La reducción de la relación de dióxido de carbono- oxígeno se logra mediante la desgasificación del aire y la gasificación con oxígeno en la transición al modo de producción.

En una forma de ejecución preferente del procedimiento según la invención, en el modo de intercambio, durante la transición de la primera sección a la segunda, después de la desgasificación del oxígeno, el medio se gasifica con un gas sustitutorio desde un depósito de gas sustitutorio, especialmente con dióxido de carbono o nitrógeno. De este modo, los metanógenos no entran en contacto con el oxígeno, sino con un gas inocuo para ellos. El dióxido de carbono puede recuperarse especialmente del biogás y alimentarse en principio en el depósito de gas sustitutorio. El nitrógeno es apropiado también como gas sustitutorio debido a su carácter inerte y está presente también en el aire de forma ubicua. Durante el retorno, antes de la gasificación con oxígeno, el medio se regasifica con gas sutitutorio. El medio puede y debe ser absorbente para el oxígeno en estado desgasificado. De este modo pueden alcanzarse de nuevo altas presiones parciales de oxígeno en la primera sección. El gas recuperado se almacena de nuevo en el depósito de gas sustitutorio, de modo que no se pierde y puede reutilizarse para la gasificación.

En una forma de ejecución preferente del procedimiento según la invención se separa el dióxido de carbono del biogás generado en una segunda sección, por medio de un filtro de biogás y se almacena en el depósito de gas sustitutorio para la gasificación sustitutoria descrita. Además, si se produce un enriquecimiento con dióxido de carbono excesivo en el depósito de gas sustitutorio, el dióxido de carbono puede utilizarse en el modo de regeneración en lugar del aire. La separación de biogás en biometano y dióxido de carbono se produce preferentemente por medio de un contactor de fibras huecas. De este modo, se separa el dióxido de carbono de las fibras gaseosas a través de los poros de las fibras huecas, que son menores de 0,05 pm, mientras que el biometano

5

10

15

20

25

30

35

40

que circula más lentamente permanece en las fibras huecas y se transmite. Entonces, puede almacenarse en un depósito de biometano y utilizarse sin más para la obtención de energía. Resulta especialmente ventajoso que las concentraciones de compuestos tóxicos de nitrógeno, como los óxidos de nitrógeno y el amoníaco, así como compuestos de azufre como el sulfuro de hidrógeno estén en niveles negligiblemente bajos, preferiblemente menos del 0,1 %.

En una forma de ejecución preferente del procedimiento según la invención, para la gasificación y desgasificación se utilizan filtros, especialmente contactores de fibras huecas, con un tamaño de poro inferior a 0,1 pm, preferentemente inferior a 0,04 pm. Los contactores de fibras huecas que deben utilizarse preferentemente, se caracterizan por una alta efectividad y un bajo consumo de energía para la gasificación y desgasificación de fluidos. Para la desgasificación, el medio se conduce a través de fibras huecas hidrófobas que están presentes en una gran cantidad en el contactor, agrupadas en haces al principio y al final (Figura 7). Debido al alto número de fibras se logra una superficie muy grande. Debido al tamaño reducido de los poros y la hidrofobicidad solamente pasan a través de la membrana las moléculas de gas, lo que se favorece por medio de una depresión. Durante la gasificación ocurre lo inverso, por lo tanto, por medio de una sobrepresión se presionan las moléculas de gas en el fluido, sin que las moléculas de fluido puedan pasar al otro lado. Para el dióxido de carbono y el oxígeno, debido a sus diferentes características, se usan preferentemente contactores diferentes con las características de las fibras huecas siguientes:

Contactor de membrana

Dióxido de carbono Oxígeno

Diámetro exterior (en pm)

300 300

Diámetro interior (en pm)

200 220

Punto de soplado (en psi)

240 240

Porosidad (en %)

25 40

Tamaño de poro (en pm)

0,03 0,04

Las membranas son facilitadas, por ejemplo, por 3M Deutschland GmbH. Los contactores de fibras huecas que deben utilizarse preferentemente para la desgasificación y la gasificación presentan una entrada y una salida para el caudal de fluido. Unidas a ellas se encuentran una cámara de entrada y una de salida, respectivamente. En medio están las fibras huecas que se encuentran fijadas a ambos lados por medio de una pared de separación. Las paredes de separación limitan la cámara de permeado con la que están sujetas las fibras huecas. En una abertura de la cámara de permeado se conecta una bomba. Para la desgasificación se trata de una bomba de gas que extrae el gas de las fibras huecas, por lo que puede considerarse una bomba de vacío. En la Figura 7, donde se muestra la gasificación, hay una bomba de gas que conduce el gas a las fibras huecas y crea una sobrepresión en la cámara de permeado. El uso de contactores de fibras huecas tiene especialmente la ventaja de que se produce un suministro óptimo de gas a los microorganismos, ya que con su ayuda puede disolverse el gas del mejor modo posible en el medio, con lo que se logra un suministro mejor y ahorrando más energía que con los métodos habituales, como el burbujeo y el mezclado. Mediante el uso de fibras huecas puede reducirse especialmente el contenido de oxígeno por debajo del 3 %.

En una forma de ejecución preferente del procedimiento según la invención se presentan en la primera sección como PTM, cianobacterias, especialmente Gloeothece 6909, Plectonema boryanum, Anabaena sp. y Nostoc sp. Puede apreciarse que las cianobacterias son muy apropiadas para el procedimiento según la invención. Al contrario que las algas verdes, que no absorben en el denominado hueco verde, pueden absorber la luz de todas las longitudes de onda con ayuda de las ficobilinas y transformarla en energía química (MacColl R. 1998). La eficiencia de la utilización de la luz en la ficobilina ficoeritrina es incluso superior que en la clorofila. De este modo, las cianobacterias pueden colonizar también con éxito las zonas de luz débil como, por ejemplo, la parte inferior de las piedras de río o en las capas profundas de los lagos (Sari S. 2010). Consecuentemente, en el modo de producción pueden fabricar material orgánico también con intensidades de luz bajas. Además, las cianobacterias son

5

10

15

20

25

30

35

40

preferentes, ya que son resistentes a la luz y a la temperatura, por lo tanto, resisten irradiaciones superiores y temperaturas más bajas sin sufrir grandes daños (Latifi A. et al. 2009). Son de las formas de vida más antiguas que existen y han colonizado prácticamente todos los biotopos de la tierra. Al contrario que los PTM eucarióticos, no poseen compartimientos celulares comparables, de modo que, comparativamente, son fáciles de analizar y manipular. Además son ventajosos para el procedimiento según la invención debido a sus altos índices de producción de material orgánico. Las clases y especies indicadas se caracterizan, por ejemplo, por sus altos índices de producción y secreción de ácido glicólico (Renstrom E. et al. 1989). Además son preferentes las cianobacterias que forman biopelículas. Las clases y especies indicadas forman en la primera sección la llamada biopelícula y de este modo, no se transportan a la segunda sección. Además son algo más preferentes las cianobacterias que metabolizan el material orgánico producido. Una estrategia de las cianobacterias de procedimiento con el material orgánico producido, es la secreción en el medio ambiente circundante en lugar de la transformación, que requiere energía intensiva, en productos intermedios utilizables para ellas. Son preferentes los tipos que metabolizan más del 10 % del material orgánico. Muchos tipos de algas verdes como la Chlamydomomas reinhardtii producen una cantidad considerable de ácido glicólico. Sin embargo, éstas las metabolizan en una gran parte (Moroney J.V. et al. 1986), por lo que son algo menos indicadas para el procedimiento según la invención. En general, mediante el procedimiento según la invención puede utilizarse una tecnología sin técnica genética, aplicable también en los consumidores.

En una forma de ejecución preferente del procedimiento según la invención, los metanógenos en la segunda sección son una mezcla de arqueas acetótrofas e hidrogenótrofas. La arquea acetótrofa, especialmente la Methanosarcina sp. o Synthrophobotulus sp., disocian el material orgánico de la primera sección en dióxido de carbono e hidrógeno. A continuación, la arquea hidrogenótrofa, especialmente la Methanocella paludicola, la Methanocella arvoryzae o la Methanopyrus kandleri los utiliza para la fabricación de biometano. En la segunda sección se utilizan preferentemente cultivos mixtos que se obtienen mediante la selección de los sedimentos de lagos y mares, de la panza de las reses, el intestino de las termitas y otros animales, campos de arroz, pantanos o instalaciones de biogás. Para la selección, hasta el suministro de carbono exclusivo por medio de material orgánico, se añade la arquea preferentemente, de forma gradual, en el turbidostato descrito anteriormente. Para ello, el inventor utilizó lodos de clarificación de una instalación de biogás convencional. La temperatura de servicio varía entre 37 °C y 70 °C, donde la velocidad de producción de gas se correlaciona con la temperatura. De este modo, puede regularse el índice de producción. Además, puede utilizarse el calor perdido del fermentador para el calentamiento del otro fermentador respectivo.

En una forma de ejecución preferente del procedimiento según la invención hay presentes inhibidores de la descomposición intracelular del material orgánico y el almacenamiento de dióxido de carbono intracelular en la primera sección. Los inhibidores de la descomposición intracelular del ácido glicólico son, por ejemplo, 3-decil-2,5- dioxo-4-hidroxi-3-pirrolina (Stenberg K. 1997), 4-carboxi-5-(1-pentil)hexilsulfanilo-1,2,3-triazol (Stenberg K. 1997), butilo 2-hidroxi-3-butinoato (Doravari S. et al. 1980) y ácido a-hidroxi-2-piridinmetasulfónico (Zelitch I. 1966), que inhiben principalmente la oxidasa de ácido glicólico. Los inhibidores de almacenamiento de dióxido de carbono son, entre otros, acetacolamida (Moroney J.V. et al. 2001) y glicolaldehído (Miller A.G. et al. 1989), que suprimen la conversión de dióxido de carbono en carbonato de hidrógeno, una forma de almacenamiento del dióxido de carbono. Los inhibidores se añaden preferentemente al medio en la primera sección, para la optimización de la producción de material orgánico.

En una forma de ejecución preferente del procedimiento según la invención, se suprime en los PTM la expresión y/o la actividad de la deshidrogenasa de ácido glicólico (EC 1.1.99.14) y/o la oxidasa de ácido glicólico (EC 1.1.3.15) o se selecciona en base a las mediciones de actividad de los PTM correspondientes. La supresión se produce, por ejemplo, mediante shRNA (small hairpin RNA), una molécula de RNA con una estructura de horquilla que puede

5

10

15

20

25

30

35

40

desactivar artificialmente genes mediante la interferencia de RNA (RNAi). Alternativamente, pueden utilizarse siRNAs (small interfering RNA), moléculas de ácido ribonucléico cortas, de tramo simple o doble, con una longitud de 20 a 25 parejas de bases. Éstas recogen moléculas RNA de tramo simple complementarias y suprimen de este modo la expresión de la proteína correspondiente. Preferentemente se inhibe el enriquecimiento con dióxido de carbono por medio de carboxisomas y pirenoides. Además, se suprime la expresión de la carboanhidrasa necesaria en los carboxisomas para el enriquecimiento de dióxido de carbono (E.C. 4.2.11.) mediante shRNA, siRNA u otros métodos como bloqueos de genes. Preferentemente, se sobreexprimen la ribulosa-1,5-bisfosfato-carboxilasa/ oxigenasa (EC 4.1.1.39) y/o fosfato de ácido glicólico - fosfatasa (EC 3.1.3.18). La sobreexpresión puede producirse mediante la introducción de un plásmido, con el gen respectivo, en el organismo o mediante la integración múltiple, si conviene, de una casete de sobreexpresión con el gen respectivo en el genoma del organismo, donde el gen está flanqueado por un promotor potente, respectivamente. RuBisCO es la enzima determinante de la asimilación del dióxido de carbono/ oxígeno dentro del ciclo de Calvin, mientras que el fosfato de ácido glicólico - fosfatasa precede a la fabricación del ácido glicólico secretado (Figura 10). Por ello, la expresión de ambas enzimas aumenta la producción de ácido glicólico. Además, se exprime preferentemente RuBisCO del tipo II en los PTM. La expresión puede efectuarse mediante la introducción de un plásmido o un casete en el genoma. RuBisCO del tipo II, que es el origen bacteriano, tiene un número de conversiones superior que RuBisCO del tipo I, por lo que resulta ventajosa la integración para aumentar la productividad. Se potencia preferentemente la separación de material orgánico, especialmente de ácido glicólico, a través de la membrana celular. Esto se produce mediante la sobreexpresión o el aumento de la activación de las proteínas transportadoras en la membrana celular, que son responsables del transporte del material orgánico respectivo. Para las cianobacterias que deben utilizarse ventajosamente no es necesario un control dirigido del objetivo por parte de los transportadores en las membranas compartimentales, ya que las prokaryotas no poseen ninguno de los compartimientos correspondientes de otros PTM, mientras que es necesario en los PTM eucarióticos.

El dispositivo según la invención para fabricar biogás en un fermentador combinado comprende una primera sección que en parte es permeable a la luz, con microorganismos fotótrofos que se encuentran en un medio. La permeabilidad a la luz se garantiza mediante el uso de materiales transparentes como vidrio, moldes de plexiglás (metacrilato polimetílico), policarbonato, cloruro de polivinilo, poliestireno, poliéter de fenileno y polietileno. La primera sección está diseñada preferentemente como un módulo plano, comparable a un panel solar, ya que dentro del eje a lo largo de la irradiación solar, la profundidad de la primera sección está limitada por la profundidad de iluminación máxima. Según la invención, los PTM están inmovilizados de modo que más del 90 % de la irradiación solar incidente se absorbe, por lo que no puede superarse un grosor de más de 10 mm. Los módulos son apropiados para la fácil instalación en superficies libres o tejados de casas y pueden combinarse entre sí y ampliarse como se desee. Después de finalizar la vida útil de los PTM, pueden cambiarse y añadirse en instalaciones de biogás comunes como añadido para aumentar el rendimiento.

El dispositivo comprende además una segunda sección que es opaca a la luz, con metanógenos que se encuentran en el medio, que en el modo de intercambio se intercambia con la primera sección, reduciéndose el contenido de oxígeno. Otro componente es un sistema de combinación entre la primera y la segunda sección, en la que se produce el intercambio y la gasificación y desgasificación del medio con ayuda de filtros, donde los filtros están unidos con líneas de entrada y salida de gas. Otro componente es una línea de salida de biogás desde la segunda sección, para la extracción del biogás generado. Las bombas y las válvulas sirven para la distribución de los caudales de fluido y de gas, de acuerdo con las formas de ejecución expuestas en los dibujos como ejemplo. El diseño restante del dispositivo se basa en el procedimiento ventajoso descrito anteriormente. Preferentemente, ambas secciones están unidas con contenedores que contienen sustancias nutritivas como elementos de traza o que sirven para evacuar subproductos. Para el control del proceso pueden utilizarse sensores. Los materiales de las

5

10

15

20

25

30

35

40

dos secciones, aparte del área transparente de la primera sección, según las exigencias planteadas son, por ejemplo, metales o plásticos.

En una forma de ejecución preferente del dispositivo según la invención, el sistema de unión comprende un primer y segundo tubo de unión para el posible establecimiento de un circuito de reactor completo en el modo de intercambio. Además, el sistema de unión comprende, preferentemente, un tubo de unión transversal que une el primer y el segundo tubo de unión entre sí. De este modo, puede establecerse un circuito de reactor parcial para las transiciones entre el modo de regeneración y de producción. Además, preferentemente hay previstos filtros como piezas de los tubos de unión entre las secciones y el tubo de unión transversal. Estos filtros sirven para la gasificación y desgasificación en el modo de intercambio (filtros primero a cuarto) y en las transiciones del modo de intercambio al de regeneración y de éste al modo de producción (primer y segundo filtro). Asimismo, el dispositivo comprende, preferentemente, un segundo tubo de unión transversal que une la primera sección y el tubo de unión transversal y un quinto filtro como pieza del segundo tubo de unión transversal, con una línea de aire con filtro de aire, preferentemente con un tamaño de poro de 0,2 pm o menor para la desgerminación del aire aspirado. El quinto filtro sirve para la gasificación y desgasificación con aire en las transiciones del modo de intercambio al de regeneración y de éste al modo de producción, donde el primer y el segundo filtros realizan su función de gasificación o desgasificación respectiva con oxígeno. El fermentador dispone preferentemente de una línea de salida de oxígeno, una línea de entrada de oxígeno, una línea de salida de gas sustitutorio y una línea de entrada de gas sustitutorio, unidas con una bomba de gas y el filtro, respectivamente, así como un depósito de gas sustitutorio y un depósito de oxígeno, unidos con las líneas de gas sustitutorio u oxígeno, respetivamente. De este modo, los gases pueden almacenarse provisionalmente después de las operaciones de gasificación y desgasificación combinadas. Asimismo, preferentemente, la línea de salida de biogás va desde la segunda sección a un filtro de biogás y, a continuación, a un depósito de almacenamiento de biometano. Preferentemente, el filtro de biogás está unido con el depósito de gas sustitutorio. De este modo, el dióxido de carbono extraído por medio del filtro de biogás puede realimentarse en el circuito de gas sustitutorio. También puede realizarse una facilitación del dióxido de carbono excedente en el modo de regeneración. En general, se trata de un circuito doble. Un sensor de pH o un sensor de conductividad en la primera sección sirve preferentemente para determinar el nivel de ácido orgánico en el medio y cuándo debe iniciarse el modo de intercambio. Alternativamente, pueden utilizarse sensores solares para determinar la actividad de los PTM.

En una forma de ejecución preferente del dispositivo según la invención, la primera sección se protege de la irradiación solar excesiva. Esto sirve para proteger el PTM, cuyos fotosistemas pueden dañarse con una irradiación solar excesiva y/o estar amenazados por la liberación de especie reactiva de oxígeno perjudicial. Especialmente, la zona permeable a la luz de la primera sección puede oscurecerse gradualmente. Por ejemplo, en la zona permeable a la luz de la primera sección pueden utilizarse materiales electrocromos.

En una forma de ejecución preferente del dispositivo según la invención, los microorganisos fotótrofos están inmovilizados preferentemente sobre celulosa o un material portador móvil, especialmente en cápsulas de gel permeables al gas y los metanógenos, preferentemente sobre carbón activo y/o un material portador móvil, especialmente en cápsulas de gel permeables al gas. La inmovilización sirve para fijar los PTM y los metanógenos en las secciones previstas para ellos, respectivamente. Solo debe cambiarse el medio. Son posibles procedimientos de inmovilización como enlace (covalente) a la superficie, rellenado de poros, reticulación transversal, separación de membrana, así como inmovilización de inclusiones. Por ejemplo, los PTM que forman biopelícula pueden crecer, preferentemente, sobre una superficie de soporte como celulosa, alginato, quitosano o agar. También pueden utilizarse soportes móviles que en la salida de la sección se retienen por medio de un filtro y, de este modo, contribuyen a una inmovilización en la sección respectiva. Además, se tienen en cuenta los denominados tags de inmovilización, por lo tanto, proteínas que se exprimen de forma recombinante sobre la superficie de los

5

10

15

20

25

30

35

40

microorganismos y proporcionan allí un enlace con un material portador. Los metanógenos pueden inmovilizarse también de forma ventajosa sobre carbón activo.

A partir de la descripción del procedimiento y el dispositivo según la invención, se obtienen efectos ventajosos de la invención respecto a la situación técnica y también a la aplicabilidad industrial.

Los efectos ventajosos de la invención respecto a la situación de la técnica incluyen una transmisión óptima y, principalmente, ahorrando energía, del material orgánico desde una sección aerobia del fermentador combinado a otra anaerobia. De este modo se logra una mejor ventilación de los microorganismos sin un consumo innecesario de gas. Adicionalmente, en una variante preferente existe la posibilidad de asimilar el dióxido de carbono (y nitrógeno) del aire y, de este modo, iniciar un proceso neutral para el clima o el CO2, que desemboca en la liberación de dióxido de carbono durante la combustión del biometano. En general, el procedimiento según la invención es efectivo, en el dispositivo previsto para ello, principalmente en comparación con la fabricación de biogás de las plantas, lo cual no solo se debe al uso inferior de superficie cultivable y a los elevados costes de obtención de la biomasa:

Rendimiento de biogás m3/t de biomasa (mat. organ.) Contenido de metano en %

Maíz

198 54

Hierba

158 52,9

PTM euc.

400 (0,24 ml/mg Glyks.5/3103) 37,5

Cifras de biogás conv. de Schwab M. 2007

Descripción de los dibujos

En la Figura 1 se muestra una vista bidimensional de un dispositivo según la invención para la ejecución del procedimiento, donde las zonas con rayas discontinuas representan una transición de nivel.

En las Figuras 2-6 se muestran vistas del fermentador representado en la Figura 1, en varios modos.

En la Figura 7 se muestra la composición de un contactor de fibras huecas que se utiliza principalmente como filtro. En la Figura 8 se muestra esquemáticamente la secuencia del ciclo de Calvin en microorganismos fotótrofos en condiciones ricas en dióxido de carbono (lado izquierdo) y ricas en oxígeno (lado derecho).

En la Figura 9 se muestran las reacciones catalizadas mediante RuBisCO, con las moléculas participantes en las fórmulas estructurales.

En la Figura 10 se muestra la reacción de oxigenasa de RuBisCO y la metabolización posterior del ácido fosfoglicólico generado de este modo, con las moléculas participantes en las fórmulas estructurales y las enzimas.

En la Figura 11 se muestra un diagrama de la producción de ácido glicólico en pmol por mg de clorofila a mediante Gloeothece 6909 con una relación diferente de oxígeno/ dióxido de carbono y distintas intensidades de irradiación.

Descripción de un ejemplo de ejecución

En el modo de producción representado en la Figura 2, los microorganismos fotótrofos (1) Gloeothece 6909, que han sido retenidos previamente e inmovilizados sobre una superficie, en condiciones óxicas y con irradiación de luz solar producen ácido glicólico que secretan en el medio (3) (Figuras 9 y 11). En este modo, todas las válvulas de la primera sección (2) y de la segunda sección (4) para el sistema de unión (6) están cerradas. Cuando existe irradiación solar directa en pleno verano, la duración del modo de producción es de una hora. Un reloj de control finaliza consecuentemente el modo de producción.

En el modo de intercambio que se muestra en la Figura 3 se abren las válvulas hacia el primer tubo de unión (8) y el segundo tubo de unión (9), mientras que las válvulas al primer tubo de unión transversal (10) y al segundo tubo de unión transversal (15) están cerradas. La primera bomba (27) y la segunda bomba (28), que están diseñadas como bombas peristálticas, bombean el medio (3) desde la primera sección (2) a la segunda sección (4). De este modo, el medio pasa el primer filtro (11), que en esta forma de ejecución está diseñado, como los otros filtros, también como

5

10

15

20

25

30

35

40

un contactor de fibras huecas (Figura 7). Una bomba de gas (30) en forma de bomba de vacío, crea un vacío en la cámara de permeado (31), entre las paredes de separación (32) y las fibras huecas (33), a través de las que circula el medio (3), desde la cámara de entrada (34) a la de salida (35). Las moléculas de oxígeno abandonan el fluido y penetran a través de las fibras huecas en la cámara de permeado (31). Desde allí se bombean por medio de la bomba de gas (30) y se transportan a través de un tubo hacia el depósito de oxígeno (24) y desde allí al segundo filtro (12). Entretanto, el medio desgasificado sale del primer filtro (11) y a través del primer tubo de unión (8) llega al tercer filtro (13), donde una bomba de gas (30) crea una sobrepresión en la cámara de permeado en el dióxido de carbono. De este modo, las moléculas de dióxido de carbono del depósito de gas sustitutorio (23) llegan al medio (3) a través de las fibras huecas. Posteriormente, el medio (3) fluye a la segunda sección (4). Allí, los metanógenos (5), que fueron seleccionados anteriormente para la utilización del ácido glicólico y están inmovilizados, consumen el ácido glicólico y se convierten en una mezcla de gas compuesta por biometano y dióxido de carbono, en una proporción de 3 a 5 um, que asciende en forma de burbujas. Una línea de salida de biogás (7) recoge la corriente de gas y la conduce a través de un filtro de biogás (25), un contactor de fibras huecas para la separación de gases en el que se separa el dióxido de carbono y se conduce al depósito de gas sustitutorio (23). El biometano depurado, por el contrario, se almacena en el depósito de biometano (26). El medio (3) abandona la segunda sección (4) y se desgasifica del dióxido de carbono en el cuarto filtro (14), que a su vez se facilita para la gasificación a través del tercer filtro (13) o el almacenamiento en el depósito de gas sustitutorio (23). Por medio del segundo filtro (12), el medio (3) se gasifica de nuevo con oxígeno procedente de la desgasificación del primer filtro (11). El medio (3), que ahora está reoxigenado, llega de nuevo a la primera sección (2). En cuanto el medio (3) se ha intercambiado entre las secciones, comienza un nuevo modo de producción. Después de un mínimo de 2 ejecuciones del modo de producción y de intercambio, comienza la transición al modo de regeneración.

En la transición al modo de regeneración, las válvulas de la segunda sección (4), una parte del primer tubo de unión (8), del segundo tubo de unión (9) y una parte del primer tubo de unión transversal (10) están cerradas, según la Figura 4. La primera bomba (27) bombea el medio (3) en un circuito a través de la primera parte del primer tubo de unión (8), la parte superior del primer tubo de unión transversal (10) y el segundo tubo de unión transversal (15). De este modo, el medio (3) pasa primero por el primer filtro (11), donde se desgasifica de oxígeno, que se almacena de forma provisional en el depósito de oxígeno (24). A continuación, el medio (3) fluye a través del quinto filtro (16) y allí se gasifica con el aire ambiente, que se aspira a través de una línea de aire (17), así como de un filtro de aire (18). Finalmente, el medio regresa a la primera sección (2).

En el modo de regeneración, las válvulas de las secciones hacia el sistema de unión (6) están cerradas, como se muestra en la Figura 5. Cuando existe irradiación de luz solar, por medio de los PTM se asimilan el carbono (Figura 8) y el nitrógeno del aire disuelto en el medio (3). La duración del modo de regeneración se rige por la duración de una ejecución del modo de producción.

En la transición al modo de producción, las válvulas de la segunda sección (4), el primer tubo de unión (8), una parte del segundo tubo de unión (9) y una parte del primer tubo de unión transversal (10) están cerradas, según la Figura 6. La segunda bomba (28) bombea el medio (3) en un circuito a través de la primera parte del segundo tubo de unión (9), la parte inferior del primer tubo de unión transversal (10) y el segundo tubo de unión transversal (15). De este modo, el medio (3) pasa primero por el quinto filtro (16), donde se desgasifica del aire residual, que se emite al medio ambiente a través de la línea de aire (17), así como del filtro de aire (18). A continuación, el medio (3) fluye a través del segundo filtro (12) y allí se gasifica con el oxígeno previamente almacenado, procedente del depósito de oxígeno (24). Finalmente, regresa a la primera sección (2). Las válvulas de la primera sección (2) se cierran. El modo de producción se inicia con la irradiación de luz solar, que se registra por medio de un detector solar.

Se ha citado la bibliografía no correspondiene a patentes siguiente:

5

10

15

20

25

30

35

40

Barber J. 2009 - Photosynthetic energy conversión: natural and artificial, Chemical Society Reviews 2009 (38),

pág. 185-196

Bauwe H. 2011 - Photorespiration: The Bridge to C4 Photosynthesis. En: Agepati S. Raghavendra (editor) y Rowan F. Sage (editor): C4 Photosynthesis and Related CO2 Concentrated Mechanisms (Advances in Photosynthesis and Respiration), Springer Netherlands 2011, pág. 81-108

Bericht des FHI 2011 - Algen - nachhaltige Rohstoffquelle für Wertstoffe und Energie, Fraunhoferinstitut für

Grenzflachen- und Bioverfahrenstechnik 2011, pág. 2

Bernacchi S. et al. 2014 - Process efficiency simulation for key process parameters in biological methanogenesis, AIMS Bioeng. 2014 (1), pág. 53-71

Blankenship R.E. et al. 2011 - Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the

Potential for Improvement, Science 2011 (332), pág. 805-809

Carrieri D. et al. 2015 - Enhancing photo-catalytic production of organic acids in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 AglgC, a strain incapable of glycogen storage, Microb. Biotechnol. 2015 (8), pág. 275-280 Dismukes G.C. et al. 2008 - Aquatic Phototrophs: efficient alternatives to land-based crops for fuels, Current Opinion in Biotechnology 2008 (19), pág. 235-240

Doravari S. et al. 1980 - Effect of butyl 2-hydroxy-3-butynoate on sunflower leaf photosynthesis and

photorespiration, Plant Physiol. 1980 (66), pág. 628-631

Edenborn H.M. et al. 1985 - Glycolate metabolism by Pseudomonas sp., strain S227, isolated from a coastal marine sediment, Marine Biology (88), pág. 199-205

Egli C. et al. 1989 - Monochloro- and dichloroacetic acids as carbon and energy sources for a stable, methanogenic mixed culture, Arch. Microbiol. 1989 (152), pág. 218-223

Fachverband Biogas Prognose - Branchenzahlenprognose für die Jahre 2014 und 2015, Fachverband Biogas e.V., Juni 2014, pág. 2

Friedrich M. et al. 1991 - Fermentative degradation of glycolic acid by defined syntrophic cocultures, Arch. of Microbiol. 1991 (156), pág. 398-404

Friedrich M. et al. 1996 - Phylogenetic Positions of Desulfofustis glycolicus gen. nov., sp. nov., and Synthrobotulus glycolicus gen. nov., sp. nov., Two New Strict Anaerobes Growing with Glycolic Acid, Int. J. of Sys. Bact., 1996, pág. 1065-1069

Günther A. et al. 2012 - Methane production from glycolate excreting algae as a new concept in the production of biofuels, Biores. Tech. 2012 (121), pág. 454-457

Kurz W.G.W. et al. 1973 - Metabolism of glycolic acid by Azotobacter chroococcum PRL H62, Can. J. of Microbiol. 1973 (19), pág. 321-324

Latifi A. et al. 2009 - Oxidative stress in cyanobacteria, FEMS Microbiol. Rev. 2009 (33), pág. 258-278 Linder H. 1998 - Biologie, Schroedel, 21. Aufl. 1998, pág. 43

Lorimer G.H. 1981 - The carboxylation and oxygenation of ribulose 1,5-bisphosphate; The primary events in

photosynthesis and photorespiration. Ann. Rev. Plant Physiol. 1981 (32), pág. 349-383 MacColl R. 1998 - Cyanobacterial phycobilisomes, J. Struct. Biol. 1998 (15), pág. 311-334

Masukawa H. et al. 2012 - Genetic Engineering of Cyanobacteria to Enhance Biohydrogen Production from Sunlight and Water, AMBIO 2012 (41), pág. 169-173

Miller A.G. et al. 1989 - Glycolaldehyde Inhibits CO2 Fixation in the Cyanobacterium Synechococcus UTEX 625 without Inhibiting the Accumulation of Inorganic Carbon or the Associated Quenching of Chlorophyll a Fluorescence, Plant Phys. 1989 (91), pág. 1044-1049

Moroney J. V. et al. 1986 - Glycolate metabolism and excretion by Chlamydomonas reinhardtii, Plant Physiol. 1986 (82), pág. 821-826

Moroney J.V. et al. 2001 - Carbonic anhydrases in plants and algae, Plant, Cell & Env. 2001 (24), pág. 141-153 Nabors M.W. et al. 2007 - Botanik, Pearson Studium, 1. Aufl. 2007, pág. 221-222

Renstrom E. et al. 1989 - Glycolate metabolism in cyanobacteria. I. Glycolate excretion and phosphoglycolate phosphatase activity, Phys. Plant. 1989 (43), pág. 137-143

5 Sari, S. 2010 - Untersuchung der Dehydrogenierung von NADH/NADPH in isolierten und gereinigten Membranen von drei verschiedenen Cyanobakterienspezies, die in zwei verschiedenen Bedingungen gezüchtet wurden, Diplomarbeit, Universitat Wien 2010, pág. 8

Schwab M. 2007 - Biogasertrage aus Energiepflanzen - Eine kritische Bewertung des Datenpotentials, Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V. 2007, pág. 4 10 Stein J. 1973 - Handbook of Phycological methods. Culture methods and growth measurements. Cambr. Univ. Press. 1973, pág. 448ff.

Stenberg K. 1997 - Three-dimensional structures of glycolate oxidase with bound active-site inhibitors, Prot. Sc. 1997 (6), pág. 1009-1015

Zelitch I. 1966 - Increased Rate of Net Photosynthetic Carbon Dioxide Uptake Caused by the Inhibition of Glycolate 15 Oxidase, Plant Physiol. 1966 (41), pág. 1623-1631

Claims (15)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   REIVINDICACIONES

   1. Procedimiento para la fabricación de biogás en un termentador combinado, en el que microorganismos fotótrofos (1) que están en una primera sección (2) fabrican material orgánico, especialmente ácido glicólico, a partir de dióxido de carbono y oxígeno y que secretan en un medio (3) (modo de producción), que se conduce a una segunda sección (4), donde metanógenos (5) fabrican a partir del mismo biometano y dióxido de carbono en condiciones anóxicas, que se caracteriza porque el medio (3), durante la transición de la primera sección (2) a la segunda sección (4) se desgasifica del oxígeno y al retornar se regasifica con oxígeno (modo de intercambio).
2. 2. Procedimiento según la reivindicación 1, que se caracteriza porque durante el contacto para la segunda sección (4) está interrumpido,

   - el medio (3) se desgasifica del oxígeno y al retornar se regasifica con el aire del entorno;

   - después, el aire de los microorganismos fotótrofos (1) se utiliza para la asimilación del carbono (modo de regeneración);

   - después, el medio (3) se desgasifica del aire y al retornar se gasifica con oxígeno.
3. 3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 o 2, que se caracteriza porque la proporción de dióxido de carbono respecto al oxígeno, en el medio (3) que se encuentra en la primera sección (2), en el modo de producción es bajo, preferentemente 1:800 a 1:3000.
4. 4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque en el modo de intercambio, durante la transición de la primera sección (2) a la segunda sección (4), después de la desgasificación de oxígeno, el medio (3) se gasifica con un gas sustitutorio, especialmente con dióxido de carbono o nitrógeno y al retornar, antes de la gasificación con oxígeno, se desgasifica de nuevo del gas sustitutorio.
5. 5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque el biogás que se genera en la segunda sección (4) se separa del dióxido de carbono y se utiliza para la gasificación con dióxido de carbono según la reivindicación 4.
6. 6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque para la gasificación y desgasificación se utilizan filtros, especialmente contactores de fibras huecas, con un tamaño de poro inferior a 0,1 pm, preferentemente inferior a 0,04 pm.
7. 7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque en la primera sección (2) se utilizan como microorganismos fotótrofos (1) preferentemente cianobacterias que forman biopelícula y preferentemente que metabolicen menos del 10 % del material orgánico producido, especialmente Gloeothece 6909, Plectonema boryanum, Anabaena sp. y Nostoc sp.
8. 8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque los metanógenos (5) que están en la segunda sección (4), son una mezcla de arqueas acetótrofas e hidrogenótrofas, donde las arqueas acetótrofas, especialmente la Methanosarcina o Synthrophobotulus disocian el material orgánico de la primera sección (2) en dióxido de carbono e hidrógeno, que utilizan las arqueas hidrogenótrofas, especialmente la Methanocella paludicola, Methanocella arvoryzae o la Methanopyrus kandleri para fabricar biometano, y/o son cultivos mixtos que se obtuvieron mediante la selección de sedimentos de lagos y mares, de la panza de reses, el intestino de las termitas y otros animales, campos de arroz, pantanos o instalaciones de biogás.
9. 9. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque en la primera sección (2) existen inhibidores de la descomposición intracelular del material orgánico y/o el almacenamiento intracelular de dióxido de carbono.
10. 10. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque en los microorganismos fotótrofos (1)

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40

    - se suprime o está suprimida la expresión y/o la actividad de la hidrogenasa de ácido glicólico y/o la oxidasa de ácido glicólico;

    - el enriquecimiento con dióxido de carbono se inhibe por medio de carboxisomas y pirenoides.

    - la ribulosa-1,5-bisfosfato-carboxilasa/ oxigenasa y/o el fosfato de ácido glicólico - fosfatasa se sobreexprimen;

    - la ribulosa-1,5-bisfosfato-carboxilasa/ oxigenasa tipo II se exprime;

    - se potencia la separación de material orgánico, especialmente de ácido glicólico, a través de la membrana celular.
11. 11. Dispositivo para la fabricación de biogás en un fermentador combinado, con los componentes siguientes:

    - una primera sección (2), que es parcialmente permeable a la luz, con microorganismos fotótrofos (1), que se encuentran en un medio (3);

    - una segunda sección (4) que es opaca a la luz, con metanógenos (5), que se encuentran en el medio (3), que en el modo de intercambio se intercambian con la primera sección (2), reduciéndose el contenido de oxígeno;

    - un sistema de unión (6) entre la primera sección (2) y la segunda sección (4);

    - filtros en el sistema de unión (6) para la gasificación y desgasificación del medio (3), que están unidos con

    líneas de entrada y de salida de gas,

    - una línea de salida de biogás (7) desde la segunda sección (4);

    - bombas y válvulas para la distribución de caudales de fluido y de gas.
12. 12. Dispositivo según la reivindicación 11, que se caracteriza porque

    - el sistema de unión (6) comprende un primer tubo de unión (8) y un segundo tubo de unión (9);

    - el sistema de unión (6) comprende un primer tubo de unión transversal (10), que une el primer tubo de unión

    (8) y el segundo tubo de unión (9), entre sí;

    - un primer filtro (11) que es una pieza del primer tubo de unión (8) entre la primera sección (2) y el primer tubo de unión transversal (10);

    - un segundo filtro (12) que es una pieza del segundo tubo de unión (9) entre la primera sección (2) y el primer tubo de unión transversal (10);

    - un tercer filtro (13) que es una pieza del primer tubo de unión (8) entre la segunda sección (4) y el primer tubo de unión transversal (10);

    - un cuarto filtro (14) que es una pieza del segundo tubo de unión (9) entre la segunda sección (4) y el primer tubo de unión transversal (10);

    - un segundo tubo de unión transversal (15), que une la primera sección (2) y el primer tubo de unión transversal (10);

    - un quinto filtro (16) que es una pieza del segundo tubo de unión transversal (15) y que está unido con una línea de aire (17) con filtro de aire (18), preferentemente con un tamaño de poro de 0,2 pm o menor;

    - hay presentes una línea de salida de oxígeno (19), una línea de entrada de oxígeno (20), una línea de entrada de gas sustitutorio (21) y una línea de salida de gas sustitutorio (22);

    - hay presentes un depósito de gas sustitutorio (23) y un depósito de oxígeno (24);

    - hay presente un filtro de biogás (25) como pieza de la línea de salida de biogás (7) con un depósito de biometano (26) que se conecta a ella;

    - el depósito de gas sustitutorio (23) está unido con el filtro de biogás (25);

    - hay presente una primera bomba (27) como pieza del primer tubo de unión transversal (8), entre la primera sección (2) y el primer filtro (11), así como una segunda bomba (28) como pieza del segundo tubo de unión

    (9) entre el primer tubo de unión transversal (10) y el segundo filtro (12).

    10
13. 13. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque la primera sección (2) está protegida contra la irradiación solar intensa, especialmente la zona permeable a la luz (29) de la primera sección (2), que puede oscurecerse gradualmente.
14. 14. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque los microorganisos fotótrofos (1) están inmovilizados preferentemente sobre celulosa o un material portador móvil, especialmente en cápsulas de gel permeables al gas y los metanógenos (5), preferentemente sobre carbón activo o un material portador móvil, especialmente en cápsulas de gel permeables al gas.
15. 15. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque los filtros están diseñados como contactores de fibras huecas, especialmente con una bomba de gas (30), una cámara de permeado (31), paredes separadoras (32), fibras huecas (33), una cámara de entrada (34) y una cámara de salida (35).