ES2692178T3

ES2692178T3 - Procedimiento para la mejora de un gas combustible durante la producción de ácido succínico

Info

Publication number: ES2692178T3
Application number: ES14727795.8T
Authority: ES
Inventors: Irini Angelidaki; Ingólfur BRAGI GUNNARSSON; Merlin ALVARADO-MORALES
Original assignee: Danmarks Tekniskie Universitet
Current assignee: Danmarks Tekniskie Universitet
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2018-11-30
Anticipated expiration: 2034-05-26
Also published as: EP3004363A1; DK3004363T3; EP3004363B1; WO2014188000A1

Abstract

Un procedimiento de fabricación de un gas combustible mejorado, dicho procedimiento comprende los pasos de: a. proporcionar un biorreactor, b. proporcionar microorganismos anaeróbicos que producen ácido succínico, c. proporcionar un sustrato de carbono para dichos microorganismos anaeróbicos que producen ácido succínico, d. añadir un gas combustible que contiene CO2 al biorreactor, e. recoger el gas combustible mejorado así producido, donde dicho gas combustible mejorado tiene un contenido de CO2 inferior al gas combustible que contiene CO2 añadido y f. recoger, de manera opcional, el ácido succínico que contiene efluente.

Description

DESCRIPCION

Procedimiento para la mejora de un gas combustible durante la produccion de acido succfnico 5 Campo tecnico

La presente invencion se relaciona con el campo de mejora de un gas combustible que contiene CO2 como biogas convirtiendo el contenido de CO2 del gas combustible en acido succfnico mediante el uso de bacterias que producen acido succfnico.

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Antecedentes

La produccion y la utilizacion de biogas mediante la digestion anaerobica de residuos organicos es una tecnologfa de energfa alternativa emergente. El biogas se concibe como un elemento clave en la estrategia de energfas renovables 15 emergentes en Europa, motivadas por el objetivo de la Union Europea de conseguir el 20 % de energfa renovable en el 2020. El gobierno danes tambien se propuso un objetivo de utilizar el 50 % del estiercol producido en Dinamarca para la produccion de energfa renovable en el 2020 y se cumplirfa basicamente a traves de una fuerte expansion del biogas.

20 El biogas contiene principalmente metano o CH4(50-75 %) y dioxido de carbono o CO2(25-50 %). Para que el biogas se pueda utilizar como combustible se debe mejorar. El proceso de mejora elimina los gases no deseados del biogas, principalmente CO2, pero tambien otras impurezas del gas. Mejorar el biogas hasta un contenido de CH4 superior al 90 % no solamente puede aumentar el valor calorffico, sino tambien reducir la corrosion causada por el gas acido y, por lo tanto, ampliar la utilizacion del biogas como fuente de energfa renovable.

25

Los procedimientos convencionales de mejora del gas combustible incluyen el lavado con agua, la adsorcion por variacion de presion, la adsorcion de poliglicol y el tratamiento qufmico, que pretenden eliminar el CO2 del biogas. Los costes de los procedimientos anteriores son relativamente altos, ya que necesitan o una presion alta o una adicion de productos qufmicos. Ademas, al eliminar CO2 del biogas, tambien se eliminan pequenas cantidades de CH4, que 30 posiblemente aumentaran la emision de gases de efecto invernadero.

Otra estrategia es aplicar microorganismos anaerobicos para convertir CO2 en CH4 para mejorar el biogas, con el consumo simultaneo de H2 (ecuacion 1):

4H, +C(X ->CH4 +2H.0 AG° =-130,7KJ/mol (1)

35 ■ ■

Este proceso es posible con los organismos metanogenicos cultivados preferentemente en un pH de entre 7-8. El proceso incluye anadir gas que contiene H2 a un reactor de biogas. Sin embargo, cuando el proceso progresa, el CO2 del medio de cultivo se consume teniendo como resultado el incremento del pH del medio de cultivo; cuando el pH 40 excede de 8,3 el proceso se inhibe, ya que las condiciones de cultivo para el organismo metanogenico se han vuelto suboptimas. Este proceso se describe, por ejemplo, en WO 2013/060331.Nghiem et al, Applied Biochemistry and Biotechnology (2010) 162:1915-1928, descripcion de la produccion de acido succfnico de glucosa con y sin dioxido de carbono.Luo et al, Biotechnology and Bioengineering (2012) 109:2729-2736, descripcion de mejora de biogas en un reactor de biogas que contiene metanogenos hidrogenotropico, como Metanobacteriales, para convertir CO2 a CH4.Lu 45 et al, 30th Symposium on Biotechnology for Fuels and Chemicals, 2008, New Orleans, debate sobre los efectos de gas de combustion de centrales electricas en produccion de succinato. Ademas,Gunnarsson et al, Seminario de tarde sobre Biorrefinerfa en la region de Oresund, junio de 2013, presento partes del presente procedimiento. Se necesitan procedimientos alternativos para mejorar gases combustibles que contienen CO2.

50 Resumen

El biogas producido mediante la digestion anaerobica de materia organica es una mezcla de gases que contienen un 50-75 % de metano (CH4) y un 25-50 % de dioxido de carbono (CO2).

55 El biogas es actualmente una de las fuentes de energfa de crecimiento mas rapidas. Sin embargo, el biogas se produce a partir de la biomasa y contiene una gran proporcion de CO2 que tiene un valor bajo como fuente de energfa. Asf, es conveniente disminuir el contenido de CO2 en biogas por un proceso al que se refiere a menudo como mejora del biogas. Los procedimientos de mejora mas comunes eliminan las impurezas mecanica o qufmicamente.

Otros gases combustibles, como gas de sfntesis y gas de hulla, tambien contienen CO2.

Hasta hace poco, el procedimiento comun de produccion a escala industrial de acido succfnico era derivado del petroleo. Las tecnologfas "verdes" emergentes para producir acido succfnico biologico tienen un coste operativo menor 5 y una huella respetuosa con el medio ambiente. Estas explotan la fermentacion llevada a cabo por biocatalizador de fuente de carbono.

La presente invencion proporciona un proceso biologico de fermentar una fuente de carbono a acido succfnico, explotando el consumo simultaneo o fijacion de CO2 de un gas combustible que contiene CO2 mediante 10 microorganismos anaerobicos que producen acido succfnico. Este proceso proporciona asf la mejora de gas combustible y la produccion de acido succfnico de forma simultanea, los cuales son productos relevantes de forma comercial de valor considerable.

Es asf una realizacion de la presente invencion para proporcionar un procedimiento de fabricar un gas combustible 15 mejorado y, simultaneamente, producir acido succfnico. Dicho procedimiento comprende los pasos de:

a. proporcionar un biorreactor,

b. proporcionar microorganismos anaerobicos que producen acido succfnico,

c. proporcionar un sustrato de carbono para dichos microorganismos anaerobicos que producen acido succfnico,

20 d. anadir un gas combustible que contiene CO2 al biorreactor,

e. recoger el gas combustible mejorado asf producido, donde dicho gas combustible mejorado tiene un contenido de CO2 inferior al gas combustible que contiene CO2 anadido y

f. recoger el efluente que contiene el acido succfnico.

25 En una realizacion dicho gas combustible que contiene CO2 se selecciona del grupo que consta de biogas, gas de sfntesis y gas de hulla. En una realizacion dicho procedimiento comprende los pasos de:

a. proporcionar un biorreactor,

b. proporcionar organismos anaerobicos que producen acido succfnico,

30 c. proporcionar un sustrato basado en carbono para dichos organismos anaerobicos que producen acido succfnico,

d. anadir biogas al biorreactor,

e. recoger el biogas mejorado asf producido, y

f. recoger, de manera opcional, el acido succfnico que contiene efluente.

35 En una realizacion, dicho microorganismo anaerobico que produce acido succfnico es una bacteria anaerobica que produce acido succfnico; en una realizacion dicha bacteria es la Actinobacillus succinogenes.

En una realizacion, dicho sustrato basado en el carbono es un sustrato de carbohidratos que comprende uno o mas de los siguientes compuestos: glucosa, xilosa, arabinosa, galactosa, maltosa, fructosa, sacarosa, celobiosa, lactosa, 40 manitol, arabitol, sorbitol, manosa, ribosa, glicerol, pectina, beta-glucosida, gluconato, idonate, ascorbato, glucarate, galactarate y/o 5-ceto-glucanate.

En una realizacion, el procedimiento comprende, ademas, el paso de recuperar y/o purificar el acido succfnico del efluente que contiene acido succfnico.

45

El procedimiento de acuerdo con la presente invencion ofrece varias ventajas, ya que podrfa resultar ser mas eficiente en el consumo de energfa que las actuales tecnologfas para mejorar el gas combustible que contiene CO2 y, potencialmente, da como resultado menores costes de inversion y operativos que las tecnologfas de mejora convencionales.

50

Ademas, el acido succfnico del subproducto del presente procedimiento de la mejora de gas combustible es un producto comercializable por sf mismo, con un creciente potencial de mercado. Comparado con el proceso convencional de produccion de acido succfnico derivado del petroleo, el procedimiento tiene potencial para mejorar el impacto medioambiental y, al mismo tiempo, promocionar la economfa biologica.

55

El biogas mejorado se mejora preferentemente para utilizarse en redes de distribucion de gas existentes. Descripcion de los dibujos 60 Figura 1: Esquema de mejora del reactor del biogas.

Figura 2: Mejora del biogas. El crecimiento bacteriano (OD660nm) se monitorizo durante 36 horas. Durante el crecimiento bacteriano se midio la composicion del biogas en la fase de gas (w. GC) y el CO2 solubilizado (w. sensor en lfnea in situ de CO2). Como se observa en esta figura el biogas en este experimento se mejora desde la composicion de 60/40 a la composicion de 90/10.

5 Figura 3:A. crecimiento de succinogenes y metabolites. Crecimiento bacteriano (OD660) identico a la figura 4. El consumo de glucosa y la produccion de succinato, lactato, formiato (metanoato), acetato y etanol se midieron utilizando HPLC. La presencia de lactato indica presencia de pequenas cantidades de O2. Despues de observar la presencia de lactato, los tubos en nuestro sistema se cambiaron a tubos hermeticos de aire. Despues de eso, no se observo ningun lactato. Con las recientes optimizaciones, ahora tenemos el sistema ejecutandose donde no se produjo ningun lactato. 10 Figura 4: Resultados de mejora del biogas. Comparacion de la composicion del biogas antes y despues de la mejora (21 horas). Solamente se observaron trazas de CO2 en el gas despues de la mejora. Como se muestra en el grafico, todo el biogas se mejora despues de 21 horas cuando el volumen de gas total en el sistema es 6,7 L y la glucosa esta presente en exceso. El mayor rendimiento de acido succfnico hasta la fecha que se alcanzo utilizando biogas como fuente de CO2 es de 0,61 g SA/g glucosa. Sin embargo, el mayor rendimiento utilizando MgCO3 como fuente de CO2 15 fue de 0,85 g SA/g glucosa.

Figura 5: Mejora del biogas de 6,7 L de biogas (GC). Utilizando la fermentacion de acido succfnico el biogas mejoro a un 99,6 % CH4/0,4 % CO2.

Figura 6: Fermentacion de acido succfnico durante la mejora de biogas (HPLC). No se consumio toda la glucosa debido a la reduccion de CO2. La racion entre el succinato y otros metabolitos disminuye cuando los niveles de CO2 20 disminuyen. La produccion de acido succfnico en este experimento fue como se esperaba, se alcanzan rendimientos de acido succfnico inferiores cuando los niveles de CO2 son bajos. El rendimiento observado era de 0,37 g SA/g glucosa. La produccion de acido succfnico depende mucho de la disponibilidad de CO2. Sin embargo, durante la fermentacion el biogas mejoro a un 99,6 % CH4 y solamente un 0,4 % de CO2 restante.

Figura 7: Se utilizaron biorreactores 3-L (Sartorius BIOSTAT Aplus, Alemania) con un volumen de trabajo inicial de 1,5 25 L. Los biorreactores se equiparon con sondas EASYFErM PLUS K8 200 pH (Hamilton Bonaduz AG, Suiza), temperatura y CO2 (Mettler Toledo, Suiza). El flujo de las mezclas de gases se controlo a traves de una bomba peristaltica (Watson-Marlow, Reino Unido). Para monitorizar y controlar la presion dentro de los biorreactores se monto un manometro (Cewai, Italia) con una valvula de escape (Hy-Lok, EE.UU.) ajustada a la presion experimental. Se utilizaron bolsas de gas de tamano diferente (7,5 y 12,5 L) para suministrar gas al sistema. El sistema consiste en una 30 recirculacion de gases que permite observar los cambios en la composicion del biogas durante la fermentacion.

Figura 8: La fermentacion se llevo cabo en dos condiciones diferentes. En primer lugar, a presion atmosferica donde la Figura 1a) muestra los productos de fermentacion y la Figura1b) muestra la composicion del biogas. En segundo lugar, a una presion de 1,6 bar, la Figura 1c) muestra los productos de fermentacion y la Figura 1d) muestra la composicion del biogas. El volumen del biogas utilizado en este experimento era de 12,5 litros. La concentracion de 35 acido succfnico aumento un 11 % (de 12,85 g/L a 14,39 g/L) cuando la fermentacion a la presion atmosferica se comparo con la fermentacion llevada a cabo a 1,6 bar. El rendimiento de acido succfnico aumento un 4 % (de 0,597 g/g a 0,621 g/g) cuando se compararon las dos condiciones experimentadas. Cuando se compara la composicion del biogas al final de la fermentacion, debido a la mayor produccion de acido succfnico, menos formacion de subproducto y una solubilidad superior de CO2 el contenido de metano aumento del 76 % (fermentacion a presion atmosferica) a 40 un 91 % (fermentacion a 1,6 bar de presion). *Glu = Glucosa, SA = Acido succfnico, FA = Acido formico, AA = Acido acetico

Figura 9: La fermentacion se llevo cabo en dos condiciones diferentes. En primer lugar, a presion atmosferica donde la Figura 1a) muestra los productos de fermentacion y la Figura1b) muestra la composicion del biogas. En segundo lugar, a una presion de 1,6 bar, la Figura 1c) muestra los productos de fermentacion y la Figura 1d) muestra la 45 composicion del biogas. El volumen del biogas utilizado en este experimento era de 7,5 litros. La concentracion de acido succfnico no aumento cuando la fermentacion en la presion atmosferica se comparo con la fermentacion llevada a cabo a 1,6 bar. Sin embargo, el rendimiento de acido succfnico aumento un 7 % (de 0,545 g/g a 0,585 g/g) cuando se compararon las dos condiciones experimentadas. Cuando se compara la composicion del biogas al final de la fermentacion, debido al menor volumen de gas (volumen reducido de 12,5 L a 7,5 L en comparacion con la figura 8), 50 menos formacion de subproducto y una mayor solubilidad de CO2, el contenido de metano aumento del 85 % (fermentacion a presion atmosferica) al 95 % (fermentacion a 1,6 bar de presion). *Glu = Glucosa, SA = Acido succfnico, FA = Acido formico, AA = Acido acetico

Descripcion detallada

55

La presente invencion es como se define en las reivindicaciones.

El gas combustible es cualquiera de una serie de combustibles que son gaseosos en condiciones normales. Muchos gases combustibles estan compuestos de hidrocarburos (como metano o propano), hidrogeno, monoxido de carbono 60 o mezclas de los mismos. Dichos gases son una potencial fuente de energfa termica o energfa lumfnica que se pueden

transmitir y distribuir directamente a traves de tubos desde el punto de origen directamente al sitio de consumo.

El gas combustible contrasta con combustibles liquidos y combustibles solidos, aunque algunos gases combustibles se licuan para su almacenamiento o transporte. El tipo mas comun de gas combustible actualmente en uso es el gas 5 natural, compuesto principalmente de metano.

El gas combustible se puede clasificar en gases fabricados (producidos a traves de un proceso artificial, normalmente gasificacion en fabricas de gas) y los que se producen naturalmente (incluyendo el gas natural y gases del petroleo). Los gases fabricados incluyen gas de hulla, gas de agua, gas pobre, gas de sfntesis, gas de madera, hidrogeno y 10 biogas.

El gas de sfntesis es una mezcla de gas combustible que consiste principalmente de hidrogeno (H2), monoxido de carbono (CO) y con mucha frecuencia algun dioxido de carbono (CO2). El hidrogeno se debe separar desde el CO2 para poder utilizarlo. Esto se hace principalmente por adsorcion por variacion de presion (PSA), lavado de amina y 15 reactores de membrana.

El gas de hulla (tambien gas ciudad y gas de iluminacion) es un combustible gaseoso inflamable realizado con destilacion destructora de carbono y contiene una variedad de gases calorfficos incluyendo hidrogeno, monoxido de carbono, metano e hidrocarburos volatiles junto con pequenas cantidades de gases no calorfficos como dioxido de 20 carbono y nitrogeno.

Biogas

El biogas es una fuente sostenible de energfa y es un tipo de biocombustible. El biogas se produce con la digestion 25 anaerobica de materia organica (biomasa) como estiercol, aguas residuales, residuos municipales, residuos verdes, material vegetal, material animal, residuos de cocina y cultivos. El biogas esta compuesto principalmente de metano (CH4) y dioxido de carbono (CO2) y puede tener pequenas cantidades de acido sulfhfdrico (H2S), humedad y siloxanos.

Se pueden quemar los gases metano, hidrogeno y monoxido de carbono (CO). La liberacion de energfa a traves de 30 dicha combustion permite que el biogas se utilice como combustible. El biogas se puede utilizar como combustible en cualquier pais con cualquier fin termico, como cocinar. Tambien se puede utilizar en digestores anaerobicos donde se utiliza usualmente en un motor de gas para convertir la energfa del gas en electricidad y calor. El biogas se puede comprimir, al igual que el gas natural, y utilizar en vehfculos a motor. En el Reino Unido, por ejemplo, se estima que el biogas tiene el potencial para reemplazar alrededor del 17 % del combustible para vehfculos. El biogas es un 35 combustible renovable, de forma que se califica para subvenciones de energfa renovable en algunas partes del mundo. El biogas tambien se puede limpiar y mejorar a estandares de gas natural (biometano).

La composicion del biogas varfa dependiendo de la biomasa y el origen utilizado para el proceso de digestion anaerobica. Sin embargo, la composicion de biogas bruto producido por procedimientos tradicionales normalmente 40 oscila entre los valores resumidos en la tabla 1 que se muestra a continuacion:

Tabla 1

Compuesto: Formula %

Metano: CH4 50-75

Dioxido de carbono: CO2 25-50

Nitrogeno: N2 0-10

Hidrogeno: H2 0-1

Acido sulfhfdrico: H2S 0-3

Oxfgeno: O2 0-0

La composicion del biogas varfa dependiendo del origen del proceso de digestion anaerobica. El gas de los vertederos 45 normalmente tiene concentraciones de metano de cerca de un 50 %. Las tecnologfas de tratamiento de residuos avanzados puede producir biogas con 55-75 % CH4, que para reactores con liquidos libres se pueden aumentar al 8090 % de metano utilizando tecnicas de purificacion de gas in-situ.

Cuando se utiliza el biogas, surgen muchas ventajas. En Norteamerica, la utilizacion del biogas generarfa suficiente 50 electricidad como para cubrir el tres por ciento del gasto de electricidad del continente. Ademas, el biogas podrfa ayudar a reducir el cambio climatico global. Normalmente, el estiercol que se deja descomponer suelta principalmente dos gases que causan cambio climatico global: dioxido nitroso y metano. El dioxido nitroso (N2O) calienta la atmosfera 310 veces mas que el dioxido de carbono y el metano 21 veces mas que el dioxido de carbono. Convirtiendo el estiercol

de vaca en biogas de metano via digestion anaerobica, los millones de vacas en los Estados Unidos producirfan cien mil millones de kilovatio-horas de electricidad, suficiente para dar energfa a millones de casas en los Estados Unidos. De hecho, una vaca puede producir suficiente estiercol en un dfa para generar tres kilovatio-horas de electricidad; solamente son necesarios 2,4 kilovatios hora de electricidad para alimentar a una lampara de 100 vatios durante un 5 dfa. Ademas, convirtiendo el estiercol de vaca en biogas de metano en lugar de dejarlo descomponerse, serfa posible reducir los gases de calentamiento global en noventa y nueve millones de toneladas metricas o un cuatro por ciento.

Utilization del biogas

10 El biogas se puede utilizar para la produccion de electricidad en depuradoras de aguas residuales en motores de gas de una planta de cogeneracion, donde el calor residual del motor se aprovecha para calentar el digestor; cocinar; calefaccion; calentamiento de agua y calor de proceso. Si se comprime, puede sustituir al gas natural comprimido para su uso en vehfculos, donde puede alimentar a un motor de combustion o celulas de combustible y desplaza de una manera mucho mas eficaz al dioxido de carbono que el uso normal en plantas de cogeneracion en el sitio.

15

El metano dentro del biogas se puede concentrar a traves de un mejorador de biogas hasta los mismos estandares del gas natural fosil, que por si mismo ha tenido que pasar por un proceso de limpieza y convertirse en biometano. Si la red de gas local lo permite, el productor del biogas puede utilizar las redes de distribucion de gas local. El gas debe estar muy limpio para llegar a la calidad del gaseoducto y debe ser de la composicion correcta para que lo acepte la 20 red de distribucion local. Se deben eliminar, si los hay, el dioxido de carbono, el agua, el acido sulfhfdrico y las partfculas.

Los requisitos para la pureza y la composicion del biogas para la distribucion en la red de gas natural son diferentes segun los pafses. Por ejemplo, los requisitos nacionales daneses para el biogas incluyen, por ejemplo, un fndice de 25 wobbe en el intervalo de 50,8 a 55,8 MJ/Nm3 y un contenido de CO2 inferior al 2,5 %. Por ejemplo, un biogas con un contenido de CH4 de 97,3 % tiene un fndice de wobbe aceptable y se puede utilizar directamente en la red de distribucion de gas natural danesa.

En una realizacion como la descrita aquf, al gas combustible mejorado por el presente procedimiento se le anade 30 propano para ajustar el valor de combustion (fndice de wobbe) del gas. Los procedimientos convencionales para mejorar los gases combustibles se enumeran en la tabla 2 que se muestra a continuacion:

Tabla 2

Tecnica: Coste de inversion (€) Coste de funcionamiento (€) precio de coste del biogas mejorado (€/Nm3) Rendimiento alcanzable maximo (%) Pureza alcanzable maxima (%)

Absorcion quimica: 353 000 134 500 0,17 90 98

Lavado de agua a alta presion: 265 000 110.000 0,13 94 98

Absorcion por variacion de presion: 680 000 187.250 0,25 91 98

Separacion criogenica: 908 500 397.500 0,44 98 91

Separacion de membrana: 233 000 81.750 0,12 78 89,5

35 Los costes de los procedimientos anteriores son relativamente altos, ya que necesitan o una presion alta o una adicion de productos qufmicos. Ademas, cuando se elimina CO2 del biogas, tambien se eliminan pequenas cantidades de CH4.

Acido succinico

El acido succinico (acido butanodioico; historicamente conocido como licor de ambar) es un acido diprotico, dicarboxflico con formula qufmica C4H6O4 y formula estructural HOOC-(CH2)2-COOH. Es un solido blanco e inodoro.

El succinato juega un papel en el ciclo del acido cltrico, un proceso de produccion energetica. El nombre deriva del Latin succinum, que significa ambar, del que se obtuvo originalmente el acido.

En el pasado se utilizo principalmente de forma externa para dolores reumaticos e internamente en fracturas 5 inveteradas. El acido succlnico es un precursor de algunos poliesteres especializados. Tambien es un componente de algunas resinas alquldicas. El acido succlnico se utiliza en la industria alimentaria y de bebidas, principalmente como regulador de acidez. En forma nutraceutica como aditivo alimentario y suplemento dietetico, es seguro y aprobado por la Administracion de Alimentos y Medicamentos de EE.UU. Como excipiente en productos farmaceuticos se utiliza para controlar la acidez y, raramente, en comprimidos efervescentes.

10

Las sales formadas por acido succlnico neutralizantes se llaman succinatos. Un ejemplo es el succinato sodico, una sal blanca e hidrosoluble. Los esteres del acido succinico tambien se llaman succinatos. El succinato y el acido succinico se pueden utilizar de forma indistinta aqui.

15 El acido succinico se puede producir por diversos procedimientos. Las rutas industriales comunes incluyen hidrogenacion de anhidrico maleico e hidratacion de anhidrico succinico; hidratacion de anhidrido maleico e hidrogenacion de acido maleico; oxidacion de butanodiol 1.4 y carbonilacion de etilenglicol. Los procesos anteriores se designan como la ruta basada en productos petroquimicos.

20 Las tecnicas emergentes proporcionan un proceso respetuoso con el medio ambiente para producir acido succlnico hecho de fuentes renovables y sostenibles. El acido succlnico biologico (acido biosuccinico) se produce de la fermentacion de una fuente de carbono tal como un carbohidrato (por ejemplo, glucosa), seguido de paso de recuperacion y purification. El proceso es anaerobico en la naturaleza y consume CO2 en vez de soltarlo. En el proceso interviene un microorganismo biocatalizador.

25

La produccion global se estima en 30 000 toneladas al ano, con un indice de crecimiento del 10 %. Con la introduction del acido biosuccinico se espera que se expanda el mercado.

A. succinogenes y M. succiniciproducens son bacterias que convierten de forma natural los azucares y el CO2 en altas 30 concentraciones de acido succlnico como parte de una fermentacion mezclada con acido. Se estan haciendo esfuerzos para maximizar el flujo de carbono a succinato para conseguir un proceso aplicable industrialmente (McKinlay et al., 2010).

Estequiometria de fermentacion de acido succinico

35

Teoricamente se consume 1 mol de CO2 por mol de acido succlnico producido, como se ilustra en la formula quimica de fermentacion de la glucosa en el acido succinico. El rendimiento quimico teorico para el acido succinico es (ecuacion 2):

C6/#L206 + CO, -» HOOC - CHZ - CHZ - COOH + CH3COOH+ HCOOH

40

Como se menciono antes, el biogas en bruto producido de la digestion en los reactores de biogas tradicionales son aproximadamente de un 60 % de metano y un 40 % de CO2. El alto contenido de CO2 hace que el biogas sea menos atractivo para el uso directo como fuente de energla. La solution es el uso de la mejora de biogas o el proceso de 45 purificacion donde los contaminantes en el flujo del biogas en bruto se absorben o restregan, dejando hasta un 98 % de metano por unidad de volumen de gas. Tradicionalmente ha habido cuatro procedimientos principales de mejora de biogas incluyendo lavado con agua, absorcion por variation de presion, absorcion de selexol y tratamiento de gas de amina. El procedimiento mas prevalente es el lavado con agua, en donde gas de alta presion fluye en una columna donde el dioxido de carbono y otras trazas de elementos se refriegan por agua en cascada en un flujo en 50 contracorriente con el gas. Las disposiciones actuales, sin embargo, son caras y, practicamente, imposibles, ya que requieren un paso mas antes de que se pueda utilizar el biogas. Los presentes inventores han demostrado que es posible obtener grandes cantidades de alta calidad (contenido alto de CH4) de biogas haciendo uso de un proceso biologico relativamente simple para consumir CO2 en el biogas en el proceso de formation de acido succlnico. El biogas mejorado se puede utilizar en una red de distribution de gas natural existente y/o directamente como fuente 55 de combustible.

Si bien se sabe que determinados microorganismos pueden producir acido succlnico, no se ha sugerido previamente que los microorganismo que producen acido succinico se puedan emplear para mejorar el gas combustible mediante el consumo o la fijacion del contenido de CO2 del gas combustible y la produccion simultanea de acido succinico. Asl,

se obtienen dos productos relevantes comercialmente (gas combustible mejorado y acido succfnico) en una reaccion.

Es un aspecto de la invencion para proporcionar

5 -un procedimiento de mejora de un gas combustible que contiene CO2, como el biogas,

-un procedimiento de producir acido succfnico y

-un procedimiento de mejora simultanea de un gas combustible que contiene CO2, como biogas, y produciendo acido succfnico,

10 dichos procedimientos, como se define en las reivindicaciones, comprenden organismos anaerobicos que producen acido succfnico, proporcionando un sustrato de carbohidratos para dichos organismos anaerobicos que producen acido succfnico y proporcionando gas combustible que contiene CO2 como biogas.

Preferentemente, las reacciones utilizadas en dichos procedimientos tendran lugar en un biorreactor adecuado para 15 contener gas y un caldo de fermentacion y para proporcionar un medio anaerobico.

Es, por lo tanto, una realizacion para proporcionar un procedimiento de fabricar un gas combustible mejorado, dicho procedimiento comprende los pasos de:

20 a. proporcionar un biorreactor,

b. proporcionar organismos anaerobicos que producen acido succfnico,

c. proporcionar un sustrato basado en carbono para dichos organismos anaerobicos que producen acido succfnico,

d. anadir un gas combustible que contiene CO2 al biorreactor,

e. recoger el gas combustible mejorado asf producido, donde dicho gas combustible mejorado tiene un contenido de 25 CO2 inferior al gas combustible que contiene CO2 que se anadio y

f. recoger, de manera opcional, el acido succfnico que contiene efluente.

El termino "gas combustible mejorado" como se menciona en la presente y de acuerdo con la presente descripcion significa que se reduce el componente incombustible o el componente no calorffico del gas combustible; el cual en 30 una realizacion concreta es reduccion del contenido de CO2 del gas combustible. Simultaneamente, el componente del combustible, o el componente calorffico del gas combustible se incrementa.

Se entiende que un procedimiento de fabricacion de un gas mejorado se considera identico a un procedimiento de reduccion del contenido de CO2(g) de un gas que contiene CO2 y/o reduciendo o disminuyendo la presion parcial de 35 CO2 en un gas que contiene CO2.

El proceso que se produce en el biorreactor tendra en cuenta la fermentacion de la fuente basada en el carbono mientras se consume el contenido de CO2 del gas combustible anadido para que se produzca el acido succfnico, antes de recoger el gas combustible mejorado y/o el efluente o caldo de fermentacion que contiene acido succfnico.

40

El gas combustible mejorado se puede seleccionar del grupo que consiste en biogas mejorado, gas de sfntesis mejorado y gas de hulla mejorado. El gas combustible que contiene CO2 en una realizacion se puede seleccionar del grupo que consta de biogas, gas de sfntesis y gas de hulla. Un gas combustible que contiene CO2 no significa sustancialmente incluir CO2 puro.

45

El "efluente que contiene acido succfnico" utilizado aquf tambien se puede llamar fase lfquida o caldo de fermentacion. El gas combustible mejorado se puede utilizar como combustible de vehfculos o se puede utilizar en una central termica, como una central termica de distribucion de distrito o se puede utilizar para la produccion de electricidad. Es una realizacion adicional para proporcionar un procedimiento de fabricar un biogas mejorado, dicho procedimiento 50 comprende los pasos de:

a. proporcionar un biorreactor,

b. proporcionar organismos anaerobicos que producen acido succfnico,

c. proporcionar un sustrato basado en carbono para dichos organismos anaerobicos que producen acido succfnico, 55 d. anadir biogas al biorreactor,

e. recoger el biogas mejorado asf producido, y

f. recoger, de manera opcional, el acido succfnico que contiene efluente.

En una realizacion, el paso de anadir biogas al biorreactor se produce inyectando biogas en el biorreactor, como 60 inyectar el biogas en el fondo del reactor.

Se entiende que un procedimiento de fabricar un biogas mejorado se considera identico a un procedimiento de fabricar un biogas con alto contenido de CH4.

5 El biogas mejorado se mejora preferentemente de forma suficiente para que se utilice en una red de distribucion de gas natural existente y/o directamente como fuente de combustible.

Se entiende que un procedimiento de fabricar un biogas mejorado se considera identico a un procedimiento de aumentar el contenido de CH4 de biogas y/o aumentar la presion parcial de CH4 en biogas.

10

Se entiende que un procedimiento de fabricar un biogas mejorado se considera identico a un procedimiento de reducir el contenido de CO2 (g) de biogas y/o reducir o disminuir la presion parcial de CO2 en biogas.

Eliminando el contenido de CO2 de baja energfa del biogas, se aumenta el contenido de energfa general del biogas. 15 Por lo tanto, se entiende que un procedimiento de fabricar un biogas mejorado se considera identico a un procedimiento para aumentar el contenido de energfa del biogas.

La expresion "biogas mejorado" y "biogas de alto contenido de CH4" se considera como un biogas que tiene un contenido de CH4 que excede el del biogas no mejorado convencional. Por lo tanto, de acuerdo con la presente 20 descripcion, un "biogas de alto contenido de CH4" y "biogas mejorado" normalmente contiene, al menos, un 90 % de CH4, como al menos un 91 % de CH4, por ejemplo, al menos un 92 % de CH4, como al menos un 93 % de CH4, por ejemplo, al menos un 94 % de CH4, como al menos un 95 % de CH4, por ejemplo, al menos un 96 % de CH4, como al menos un 97 % de CH4, por ejemplo, al menos de un 98 % de CH4, como al menos un 99 % de CH4, por ejemplo, al menos un 99,5 % de CH4, como al menos un 99,6 % de CH4, por ejemplo, al menos un 99,7 % de CH4, como al menos 25 un 99,8 % de CH4, por ejemplo, al menos un 99,9 % de CH4 c medido por el contenido de CH4 del biogas.

En otra realizacion un "biogas de alto contenido de CH4" y "biogas mejorado" contiene al menos entre un 90-91 % de CH4, como un 91-92 % de CH4, por ejemplo, un 92-93 % de CH4, como un 93-94 % de CH4, por ejemplo, un 94-95 % de CH4, como un 95-96 % de CH4, por ejemplo, un 96-97 % de CH4, como un 97-98 % de CH4, por ejemplo, un 9830 99 % de CH4, como un 99-99,5 % de CH4, por ejemplo, un 99,5-99,9 % de CH4, como un 99,9-100 % de CH4, medido por el contenido de CH4 del biogas.

El biogas producido es preferentemente de una calidad adecuada para el uso directo en la red de distribucion de gas natural sin mejora adicional y/o purificacion. Es una realizacion adicional proporcionar un procedimiento de fabricar un 35 gas de sfntesis o gas de hulla mejorado, dicho procedimiento comprende los pasos de:

a. proporcionar un biorreactor,

b. proporcionar organismos anaerobicos que producen acido succfnico,

c. proporcionar un sustrato basado en carbono para dichos organismos anaerobicos que producen acido succfnico, 40 d. anadir gas de sfntesis o gas de hulla al biorreactor,

e. recoger el gas de sfntesis o el gas de hulla mejorado asf producido, donde dicho gas de sfntesis o gas de hulla tiene un contenido mas bajo de CO2 que el gas de sfntesis o el gas de hulla anadido, y

f. recoger, de manera opcional, el acido succfnico que contiene efluente.

45 Se entiende que un procedimiento de fabricar un gas de sfntesis o gas de hulla mejorado se considera identico a un

procedimiento de reducir el contenido de CO2 de gas de sfntesis o gas de hulla y/o reducir la presion parcial de CO2

en gas de sfntesis o gas de hulla.

Se entiende que un procedimiento de fabricar un gas de sfntesis mejorado se considera identico a un procedimiento

50 de aumentar el contenido de H2 y/o contenido de CO de gas de sfntesis o gas de hulla aumentando la presion parcial

de H2 y/o CO en gas de sfntesis.

Se entiende que un procedimiento de fabricar un gas de hulla mejorado se considera identico a un procedimiento de aumentar el contenido de CH4, H2 y/o CO del gas de hulla y/o aumentar la presion parcial de CH4, H2 y/o CO en el gas 55 de hulla. El gas combustible se puede producir y mejorar en un biorreactor individual, es decir, mejora in situ o en biorreactores separados, es decir, ex situ.

Es una realizacion adicional proporcionar un procedimiento de fabricar un gas combustible mejorado y simultaneamente producir acido succfnico. Dicho procedimiento comprende los pasos de:

a. proporcionar un biorreactor,

b. proporcionar organismos anaerobicos que producen acido succfnico,

d. anadir un gas combustible que contiene CO2 al biorreactor,

5 e. recoger el gas combustible mejorado asf producido, donde dicho gas combustible mejorado tiene un contenido de CO2 inferior al gas combustible que contiene CO2 anadido y f. recoger el efluente que contiene el acido succfnico.

En una realizacion dicho gas combustible que contiene CO2 se selecciona del grupo que consta de biogas, gas de 10 hulla y gas de sfntesis. En una realizacion preferida de la presente descripcion, dicho gas que contiene CO2 es biogas.

En una realizacion dicho gas que contiene CO2 no es CO2 puro. En otro dicho gas que contiene CO2 comprende, al menos, otros tipos gaseosos distintos al CO2, como H2, CO, CH4 y/o N2. Preferentemente, el gas que contiene CO2 consta, al menos, de un 5 %, mas preferentemente al menos un 10 % o mas, de al menos otro tipo gaseoso.

15

Se entiende que los procedimientos de mejorar un gas combustible y/o producir acido succfnico se pueden optimizar para conseguir las condiciones optimas para la conversion de una fuente de carbono y CO2 en acido succfnico. Las condiciones iniciales se pueden establecer y llevar a que el microorganismo consuma una fuente de carbono de la que se alimenta con el fin de reproducirse, para obtener un masa celular bien crecida. Este cultivo celular se puede obtener 20 en un reactor o contenedor separado del biorreactor descrito aquf. El cultivo celular se puede transferir a un fermentador mayor, el biorreactor, donde las condiciones se establecen y llevan al microorganismo a fermentar la fuente de carbono de la que se alimenta en el producto deseado (acido succfnico).

En una realizacion, el biorreactor se alimenta de un cultivo de microorganismos que comprende microorganismos 25 anaerobicos que producen acido succfnico y una fuente de carbono.

Los presentes inventores han descubierto que una presion mayor en el biorreactor puede aumentar la concentracion y la produccion de acido succfnico. Asf, en una realizacion interesante, se lleva a cabo una fermentacion a una presion superior a la presion atmosferica, es decir, superior a 1 bar.

30

En una realizacion la presion del biorreactor es al menos 1,1 bar, como al menos 1,2 bar, por ejemplo, al menos 1,3 bar, como al menos 1,4 bar, por ejemplo, al menos 1,5 bar, como al menos 1,6 bar, por ejemplo, al menos 1,7 bar, como al menos 1,8 bar, por ejemplo, al menos 1,9 bar, como al menos 2,0 bar, por ejemplo, al menos 2,1 bar, como al menos 2,2 bar, por ejemplo, al menos 2,3 bar, como al menos 2,4 bar, por ejemplo, al menos 2,5 bar, como al menos 35 2,6 bar, por ejemplo, al menos 2.7 bar, como al menos 2,8 bar, por ejemplo, al menos 2,9 bar, como al menos 3,0 bar, por ejemplo, al menos 3,5 bar, como al menos 4 bar, por ejemplo, 5 bar, como al menos 6 bar, por ejemplo, al menos 7 bar, como al menos 8 bar o mas.

En una realizacion la presion en el biorreactor esta entre 1,1 y 10 bar, como entre 1,1 y 5 bar, por ejemplo, entre 1,1 40 y 4 bar, como entre 1,1 y 3 bar, por ejemplo, entre 1,1 y 2 bar.

En una realizacion la presion en el biorreactor esta entre 1,2 y 10 bar, como entre 1,2 y 5 bar, por ejemplo, entre 1,2 y 4 bar, como entre 1,2 y 3 bar, por ejemplo, entre 1,2 y 2 bar.

45 En una realizacion la presion en el biorreactor esta entre 1,3 y 10 bar, como entre 1,3 y 5 bar, por ejemplo, entre 1,3 y 4 bar, como entre 1,3 y 3 bar, por ejemplo, entre 1,3 y 2 bar.

En una realizacion la presion en el biorreactor esta entre 1,4 y 10 bar, como entre 1,4 y 5 bar, por ejemplo, entre 1,4 y 4 bar, como entre 1,4 y 3 bar, por ejemplo, entre 1,4 y 2 bar.

50

En una realizacion la presion en el biorreactor esta entre 1,5 y 10 bar, como entre 1,5 y 5 bar, por ejemplo, entre 1,5 y 4 bar, como entre 1,5 y 3 bar, por ejemplo, entre 1,5 y 2 bar.

Organismo que produce acido succfnico

55 En el proceso de produccion de acido succfnico intervendran, o catalizaran, organismos anaerobicos que producen acido succfnico, preferentemente microorganismos, que utilizaran el CO2 contenido en un gas combustible, como el CO2 del biogas. De esta forma, el gas combustible se mejora con el proceso de fermentacion de acido succfnico, en el caso de biogas obteniendo asf biometano de alta pureza.

60 Los organismos anaerobicos que producen acido succfnico incluyen un organismo que es capaz de fijar CO2 en

condiciones anaerobicas promocionando asf la produccion de acido succfnico.

Los organismos anaerobicos que producen acido succfnico incluyen cualquier organismo que es capaz de fermentar una fuente de carbono a acido succfnico.

5

Los organismos anaerobicos que producen acido succfnico son, en una realizacion, microorganismos anaerobicos que producen acido succfnico.

Los organismos o microorganismos anaerobicos que producen acido succfnico son, en una realizacion, bacterias 10 anaerobicas que producen acido succfnico.

Las bacterias anaerobicas que producen acido succfnico incluyen bacterias que son capaces de fijar CO2 en condiciones anaerobicas promocionando asf la produccion de acido succfnico.

15 Las bacterias anaerobicas que producen acido succfnico incluyen cualquier bacteria que es capaz de producir acido succfnico en condiciones fisiologicas en la presencia de un sustrato de carbono CO2; como glucosa y CO2.

En una realizacion, dicha bacteria anaerobica que produce acido succfnico se selecciona del grupo en el que constan: Actinobacillus succinogenes (A. succinogenes), Anaerobiospirillum succiniciproducens (A. succiniciproducens), 20 Mannheimia succiniciproducens (M. succiniciproducens), Corynebacterium glutamicum (C. glutamicum) y recombinante Escherichia coli (E. coli).

En una realizacion en concreto, dicha bacteria que produce acido succfnico es Actinobacillus succinogenes.

25 Sustratos de Actinobacillus succinogenes y la via metabolica de Actinobacillus succinogenes se describen en McKinlay et al. 2010.

Los organismos osmofflicos son microorganismos adaptados a entornos con presiones osmoticas altas, como concentraciones de azucar altas. A.succinogenes es un osmofilo moderado y tiene una alta tolerancia a 30 concentraciones de azucar iniciales (<158 g/L glucosa) y tambien unas concentraciones de acido succfnico altas (>70 g/L).

En una realizacion dicho microorganismo que produce acido succfnico es un microorganismo disenado (o recombinante) capaz de fermentar un fuente de carbono a acido succfnico.

35

En la realizacion donde la bacteria anaerobica que produce acido succfnico es un recombinante E. coli, dicho recombinante E. coli se modifica para poder ser capaz de fermentar una fuente de carbono a acido succfnico. E. coli se puede modificar, por ejemplo, como se describio previamente en Wu et al. 2007 por manipulacion genetica de vfas metabolicas centrales para mejorar la produccion de acido succfnico. Por ejemplo, una estrategia es bloquear la via 40 de la competicion a acido succfnico, como por inactivacion de piruvato: formiato liasa (PFL) y lactato deshidrogenasa (LDH), la protefna EIICB en el sistema de fofotransferase (PTS), alcohol deshidrogenasa (ADH), fosfato acetiltransferasa-acetato quinasa, etc. Otra estrategia es sobreexpresar enzimas de fijacion de CO2 endegenos o heterologos, como piruvato carboxilasa, fosfoenolpiruvato (PEP) carboxilasa (PPC), PEP carboxiquinasa (PCK) y encima malica (ME).

45

Sustrato basado en carbono

Un sustrato para un organismo o microorganismo anaerobico que produce acido succfnico, como una bacteria, es un sustrato requerido y suficiente para que el organismo concentre CO2 en condiciones anaerobicas para promover la 50 produccion de acido succfnico.

En una realizacion dicho sustrato es un sustrato de carbohidrato.

En una realizacion dicho sustrato es un sustrato de alto contenido de carbohidratos.

55

En general, cualquiera y todos los tipos de biomasa hidrolizada se pueden utilizar siempre que el contenido de carbohidratos en el hidrolizado sea alto.

Algunos residuos industriales tienen un contenido de carbohidratos alto y se pueden utilizar como sustrato de acuerdo 60 con la presente descripcion. Asf, en una realizacion, el sustrato es un residuo industrial agrfcola, forestal y/o

alimentario. Ejemplos de productos de residuos adecuados incluyen residuos de glicerol de la industrial de biodiesel, suero de la produccion de queso y agricultura pretratada y desechos forestales como paja, astillas de madera, estiercol animal incluyendo, por ejemplo, estiercol de vaca o caballo.

5 Los cultivos energeticos tambien se contemplan como posibles sustratos. Un cultivo energetico es una planta cultivada como cosecha de bajo coste y bajo mantenimiento utilizada de forma convencional para realizar biocombustibles, como bioetanol o quemada para que su contenido de energfa genere electricidad o calor. Los cultivos de energfa se categorizan generalmente como madera o plantas herbaceas; muchas de las ultimas son hierbas (Graminaceae). Los cultivos de energfa comerciales se plantan tfpicamente de manera densa, especies de cultivos de alta produccion 10 donde los cultivos de energfa se quemaran para generar energfa. Los cultivos de madera como el sauce o el alamo se utilizan ampliamente, ademas de pastos templados como Miscanthus y Pennisetum purpureum. Cosechas enteras como mafz, pasto del Sudan, mijo, melitoto blanco y muchos otros tambien se contemplan como posibles sustratos de carbohidratos. Los cultivos de energfa se pueden pretratar (hidrolizado) para obtener una cantidad superior de azucares fermentables.

15

En una realizacion dicho sustrato basado en el carbono o de carbohidratos comprende o consiste en uno o mas de los siguientes compuestos: glucosa, xilosa, arabinosa, galactosa, maltosa, fructosa, sacarosa, celobiosa, lactosa, manitol, arabitol, sorbitol, manosa, ribosa, glicerol, pectina, beta-glucosida, gluconato, idonate, ascorbato, glucarate, galactarate y/o 5-ceto-glucanate.

20

En una realizacion dicho sustrato de carbohidratos comprende uno o mas azucares fermentables. En una realizacion de la presente descripcion, dicho sustrato es un sustrato de carbohidratos fermentable.

En una realizacion dicho sustrato de carbohidratos comprende uno o mas de los siguientes compuestos: glucosa, 25 xilosa, arabinosa, galactosa, maltosa, fructosa, sacarosa, celobiosa, lactosa, manitol, arabitol, sorbitol, manosa y/o ribosa.

En una realizacion concreta, dicho sustrato de carbohidratos comprende glucosa.

30 En una realizacion, dicho sustrato de carbohidratos comprende glicerol.

En otra realizacion concreta, dicho sustrato de carbohidratos comprende un azucar reducido y/o polialcohol (es decir, derivado de un azucar por reduccion). En una realizacion de la presente descripcion, dicho sustrato comprende o consiste en uno o mas de manitol, arabitol y/o sorbitol.

35

En una realizacion el sustrato de carbohidratos es una mezcla de carbohidratos que comprenden al menos dos carbohidratos diferentes, como al menos tres carbohidratos diferentes, por ejemplo, al menos cuatro carbohidratos diferentes, como al menos cinco carbohidratos diferentes o mas.

40 Biorreactor

Preferentemente, las reacciones tendran lugar en un biorreactor apropiado, por tanto, tal biorreactor es capaz de contener gas y proporcionar un medio sustancialmente anaerobico.

45 Los procedimientos para mejorar biogas son particularmente eficientes si se utiliza un biorreactor que comprende un sistema de inyeccion de gas capaz de inyectar gas que contiene CO2 en la fase del fluido del contenido del biorreactor, sin producir burbujas. Un biorreactor adecuado comprende:

a. un recipiente del reactor 50 b. un sistema de inyeccion de gas

c. medios de carga adecuados para anadir al recipiente un organismo de produccion de acido succfnico y uno o mas sustratos de carbohidratos y

d. medios de descarga para productos y/o residuos.

55 Dicho recipiente del reactor puede comprender una fase lfquida, donde dicha fase lfquida puede ser un caldo de fermentacion.

El recipiente del reactor del biorreactor preferentemente es un recipiente cerrado capaz de contener gas y proporcionar un medio sustancialmente anaerobico. En una realizacion del procedimiento, se usa un reactor de deposito de 60 agitacion continua (CSTR).

El proceso de mejorar gas combustible como biogas y/o producir acido succfnico se puede hacer como un proceso por lotes, donde los componentes se cargan en el recipiente del biorreactor, la reaccion sigue y el recipiente se vacfa.

5 El proceso de mejorar gas como biogas y/o producir acido succfnico se puede hacer como un proceso continuo, donde los componentes se cargan continuamente y se extraen del recipiente del biorreactor.

El sistema de inyeccion de gas se utiliza para introducir el gas combustible que contiene CO2 en el biorreactor.

10 En una realizacion del procedimiento, el gas combustible que contiene CO2 se anade continuamente al biorreactor. Preferentemente, dicho sistema de inyeccion de gas se localiza en el fondo del reactor o el recipiente, para que el gas se pueda inyectar en el fondo del reactor. Esto permitira que se anada gas directamente en la fase lfquida o en el caldo de fermentacion comprendido en el recipiente del reactor.

15 Preferentemente el tamano del gas o de las burbujas del biogas inyectado asf se mantiene mfnimo para mantener su area de superficie por volumen lo mas alto posible, para que el CO2 del gas se puede difundir con mas libertad en la fase lfquida que comprende organismos que producen acido succfnico y una fuente de carbono.

De acuerdo con la ley de Henry ([CO2] = PC02/H0) hay un equilibrio entre el CO2 disuelto en lfquido y CO2 en fase de 20 gas. Cuando las burbujas de biogas pasan por el reactor y se consume el CO2 la presion parcial de CO2 disminuye en la fase lfquida, lo que obliga al CO2 de la fase de gas a disolverse en lfquido. Cuando las burbujas llegan a espacios vacfos sobre el lfquido todo el CO2 se ha eliminado sustancialmente por el organismo que produce acido succfnico, dejando metano purificado. Como el metano es mucho menos soluble en el agua que el CO2 poco metano se disipara de la burbuja en el lfquido.

25

La transferencia de gas sin burbujas a traves de membrana de fibra hueca (HFM) es un procedimiento potencial para conseguir el fin de la utilizacion completa de CO2. El gas dentro de la HFM se puede entregar en la fase lfquida a traves de membranas por difusion. Asf, el gas se disuelve directamente en el lfquido, no se forma ninguna burbuja y el CO2 lo toman los microorganismos con mas eficacia. Asf, en una realizacion en concreto del procedimiento, dicho 30 sistema de inyeccion de gas comprende fibras huecas para introducir el gas combustible que contiene CO2 en el biorreactor.

Los medios de carga adecuados para anadir al recipiente un organismo que produce acido succfnico y uno o mas sustratos basados en carbono pueden ser capaces de proporcionar dichos componentes, alimentando dicho 35 biorreactor con dichos componentes, anadiendo y/o inyectando dichos componentes en el biorreactor. El biorreactor comprende un gas combustible que contiene CO2 como se define aquf, como biogas, gas de sfntesis o gas de hulla; preferentemente biogas.

En una realizacion del procedimiento, el biorreactor comprende bacterias que producen acido succfnico y una o mas 40 fuentes de carbohidratos, que se describen aquf en otros lugares.

Las condiciones optimas para la reaccion de fermentacion puede determinarlas una persona cualificada, incluyendo factores variables como velocidad de flujo, temperatura, pH, etc.

45 Preferentemente la velocidad de flujo en el reactor esta equilibrada con la velocidad de CO2 y el consumo de carbohidratos.

En una realizacion del procedimiento, el sustrato basado en carbono y los organismos que producen acido succfnico se mezclan y anaden al biorreactor juntos como una mezcla; en otra realizacion el sustrato basado en carbono se 50 alimenta al reactor por separado desde la bacteria que produce acido succfnico.

Recuperacion de acido succfnico del efluente

El procedimiento puede comprender recoger el efluente del biorreactor que contiene acido succfnico. Dicho efluente 55 se refiere a la fase lfquida contenida en el reactor y tambien puede denotar un caldo de fermentacion.

Ademas de la fermentacion, el acido succfnico se separa y recupera del caldo de fermentacion donde esta presente como sal disuelta (succinato), junto con la biomasa del microorganismo, azucares no convertidos, una pequena cantidad de subproducto y otros restos del medio.

En una realizacion el procedimiento comprende un paso adicional de recuperar y/o procesar el efluente que contiene acido succmico, donde dicho acido succmico se puede aislar, concentrar, purificar y/o recuperar.

En una realizacion, el procedimiento comprende, ademas, el paso de recuperar y/o purificar el acido succmico del 5 efluente que contiene acido succmico. Asf, un paso de recuperacion y purificacion se puede emplear para obtener acido succmico (cristales) que cumplen los requisitos de especificacion para la produccion de derivados. Un procedimiento para hacerlo asf se presenta aqrn, pero se pueden prever otros procedimientos. En una realizacion del procedimiento, el primer paso de procesamiento es la separacion de la celula por separacion centnfuga o microfiltracion, normalmente seguida de ultrafiltracion para separar restos celulares, protemas y otros polfmeros de 10 sobrenadante de fermentacion.

Para el aislamiento y la concentracion de acido succmico se han sugerido muchas operaciones: precipitacion con amoniaco o hidroxido de calcio, procesos de membrana como electrodialisis, extraccion de lfquido-lfquido como extraccion de disolvente predispersado con afrones de lfquidos coloidales, extraccion reactiva, destilacion, extraccion 15 a contracorriente, esterificacion, cromatograffa, etc. Diferentes procedimientos de adsorcion/intercambio ionico y cristalizacion son los procedimientos escogidos para la purificacion final del acido aislado. Las ventajas y las desventajas de todas estas operaciones se tratan en Kurzrock & Weuster-Botz.

Referencias

20

Zeikus, J.G et al. 1999. Biotechnology of succinic acid production markets for derived industrial products. Appl. Microbiol. Biotecnol. 51, 545-552).

Kurzrock & Weuster-Botz. 2010. Recovery of succinic acid from fermentation broth. Biotecnol. Lett. 32, 331-339). McKinlay et al. "A genomic perspective on the potential of Actinobacillus succinogenes for industrial succinate 25 production". BMC Genomics 2010, 11:680.

Song & Lee, "Production of succinic acid by bacterial fermentation," Enzyme and Microbial Technology, vol. 39, no. 3, pp. 352-361, Jul. 2006.

Lin, et al. "Substrate and product inhibition kinetics in succinic acid production by Actinobacillus succinogenes," Biochemical Engineering Journal, vol. 41, no. 2, pp. 128-135, Sep. 2008.

30 Guettler et al, "Actinobacillus succinogenes sp. nov., a novel succinic-acid-producing strain from the bovine rumen," Int J Syst Bacteriol, vol. 49, no. 1, pp. 207-216, Sep. 1999.

Airliquide, "Gas Encyclopaedia," 2009. [En lmea]. Disponible:
http://encyclopedia.airliquide.com/encyclopedia.asp. Petersson & Wellinger "Biogas upgrading technologies - developments and innovations," 2009.

Ryckebosch et al. "T echniques for transformation of biogas to biomethane", Bimass and Bioenergy, vol. 35, no. 5, pp. 35 1633-1645, May 2011.

Wu et al. "Improved Succinic Acid Production in the Anaerobic Culture of an Escherichia coli pfIB IdhA Double Mutant as a Result of Enhanced Anaplerotic Activities in the Preceding Aerobic Culture", Appl Environ Microbiol, pp. 78377843, Dic 2007.

40 EJEMPLOS

Se utilizaron biorreactores

3-L (Sartorius BIOSTAT Aplus, Alemania) con un volumen de trabajo inicial de 1,5 L. Los biorreactores se equiparon 45 con sondas EASYFERM PLUS K8 200 pH (Hamilton Bonaduz AG, Suiza), temperatura y CO2 (Mettler Toledo, Suiza). El flujo de las mezclas de gases se controlo a traves de una bomba peristaltica (Watson-Marlow, Reino Unido). Para monitorizar y controlar la presion dentro de los biorreactores se monto un manometro (Cewai, Italia) con una valvula de escape (Hy-Lok, EE.UU.) ajustada a la presion experimental. Se utilizaron bolsas de gas de tamano diferente (6,7, 7,5 y 12,5 L) para suministrar gas al sistema. El sistema consiste en una recirculacion de gases que permite observar 50 los cambios en la composicion del biogas durante la fermentacion. Se han llevado a cabo experimentos utilizando tanto MgCO3 (suministra exceso de CO2 durante la fermentacion) y el biogas (60 % CH4/ 40 % CO2).

Microorganismo, medio y fermentacion de acido succmico

55 La cepa A. succinogenes130Z se obtuvo de DSMZ. El cultivo madre se almaceno en glicerol a -80° hasta que se utilizo. El medio de cultivo para siembra esta'compuesto de (gr. por litro): glucosa (10,0), extracto de levadura (5,0), NaHCOa(10,0), NaH2PO4-2H20 (9,6), K2HPO43H20 (20,3). El medio se esterilizo a 121 °C durante 20 min. El cultivo para siembra se cultivo a 37°C y 150 rpm en botellas anaerobicas cerradas de 50 mL que contenien 30 ml de medio e inoculados con 1 ml de cultivo madre de glicerol a -80.

Los lotes de experimentos de mejora del biogas y de produccion de acido succfnico se llevaron a cabo en duplicados. Los experimentos de fermentacion se llevaron a cabo utilizando biogas (60 % CH4, 40 % CO2) o 100 % CO2 como fuente de CO2 para la produccion de acido succfnico. Las fermentaciones se llevaron a cabo o a 1,01325 bar (presion atmosferica) o a una presion de 1,6 bar.

5

El medio experimental para mejora de biogas y fermentacion estaba compuesto de (por litro): extracto de levadura (10,0), K2HPO4(3,0), MgCh(0,2), CaCh(0,2), NaCl (1,0). El medio se esterilizo a 121 °C durante 20 min.

Todas las fermentaciones del lote en biorreactores 3-I se llevaron a cabo a 37 °C, pH 6,75, 200 rpm durante 24 horas 10 y se inocularon con 5 % (v/v) de inoculo exponencialmente creciente. Antes de empezar la fermentacion, se ajusto el pH a 6,8 anadiendo acido fosforico al 50 % y 0,05 ml de Antiespumante esteril 204 (Sigma Aldrich). Se anadio automaticamente 8 M NaOH para mantener el pH a 6,8 durante la fermentacion. Se utilizo N2 gaseoso en todos los casos para crear condiciones anaerobicas.

15 Analisis de la muestra:

Se midieron y cuantificaron glucosa, succinato, lactato, formiato, acetato y etanol utilizando cromatograffa de lfquido de alto rendimiento (HPLC). El HPLC (Agilent) tenia un detector de fndice refractivo, una columna de Bio-Rad Aminex HPX-87H (300 mm x 7,8 mm) con 0,04 M H2SO4 cuando el eluyente y la velocidad de flujo se establecio a 0,6 mL/min 20 con la temperatura del horno de columna establecida a 63,5 °C.

El metano y el dioxido de carbono se analizaron GC-TCD provisto de columna paralela de 1,1 m x 3/16 in. Molsieve 137 y 0,7 m x 1/4 in. chromosorb 108.

El CO2 soluble se monitorizo utilizando el sensor de Mettler Toledo InPro 5000 CO2 / transmisor electronico de CO2 25 5100. El crecimiento bacteriano se midio en 660 nm utilizando el espectrofotometro de Jenway Buch y Holm A/S 64050UV/vis.

Los resultados de los experimentos se muestran en las figuras 2 a 6.

30 Conclusion:

Los presentes inventores han demostrado que el biogas se puede mejorar para contener mas del 99 % (99,6 %) de CH4 utilizando el presente procedimiento que comprende la produccion simultanea de acido succfnico.

REINVINDICACIONES

1. Un procedimiento de fabricacion de un gas combustible mejorado, dicho procedimiento comprende los pasos de:

5

a. proporcionar un biorreactor,

b. proporcionar microorganismos anaerobicos que producen acido succfnico,

d. anadir un gas combustible que contiene CO2 al biorreactor,

10 e. recoger el gas combustible mejorado asf producido, donde dicho gas combustible mejorado tiene un contenido de CO2 inferior al gas combustible que contiene CO2 anadido y f. recoger, de manera opcional, el acido succfnico que contiene efluente.

2. Un procedimiento de fabricacion de un gas combustible mejorado y, simultaneamente, producir acido 15 succfnico, dicho procedimiento comprende los pasos de:

a. proporcionar un biorreactor,

b. proporcionar microorganismos anaerobicos que producen acido succfnico,

20 d. anadir un gas combustible que contiene CO2 al biorreactor,

f. recoger el efluente que contiene el acido succfnico.

25 3. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes donde se selecciona dicho gas

combustible que contiene CO2- del grupo que consiste en biogas, gas de sfntesis y gas de hulla.

4. El procedimiento de cualquier reivindicacion precedente, donde dicho gas combustible que contiene

CO2- es biogas.

30

5. El procedimiento de reivindicacion 4, donde el biogas mejorado asf producido tiene un contenido de CH4 de, al menos, el 90 % de CH4.

6. El procedimiento de cualquier reivindicacion precedente, donde dicho microorganismo anaerobico que 35 produce acido succfnico es una bacteria anaerobica que produce acido succfnico.

7. El procedimiento de la reivindicacion 6, donde dicha bacteria que produce acido succfnico se selecciona del grupo en el que constan: Actinobacillus succinogenes (A. succinogenes), Anaerobiospirillum succiniciproducens (A. succiniciproducens), Mannheimia succiniciproducens (M. succiniciproducens), Corynebacterium glutamicum (C.

40 glutamicum) y recombinante Escherichia coli (E. coli).

8. El procedimiento de cualquier reivindicacion 6 a 7, donde dicha bacteria anaerobica que produce acido succfnico es Actinobacillus succinogenes.

45 9. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedente, donde dicho sustrato de carbono es

un sustrato de hidrato de carbono.

10. El procedimiento de la reivindicacion 9, donde dicho sustrato de hidrato de carbono comprende uno mas de los siguientes compuestos: glucosa, xilosa, arabinosa, galactosa, maltosa, fructosa, sacarosa, celobiosa, lactosa,

50 manitol, arabitol, sorbitol, manosa, ribosa, glicerol, pectina, beta-glucosida, gluconato, idonate, ascorbato, glucarate, galactarate y/o 5-ceto-glucanate.

11. El procedimiento de reivindicacion 10, donde el sustrato de carbohidratos comprende glicerol.

55 12. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde dicho procedimiento

comprende, ademas, el paso de recuperar y/o purificar el acido succfnico del efluente que contiene acido succfnico.

13. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde dicho biorreactor comprende

un sistema de inyeccion de gas que comprende fibras huecas.

14. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde dicho biorreactor es un

reactor de deposito de agitacion continuo (CSTR).

Claims

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