ES2858223T3 - Sistema para la fabricación de metano a partir de CO2 - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para la conversión de dióxido de carbono producido durante un proceso industrial, en metano, que comprende: El contacto en un biorreactor de un cultivo que comprende archaea metanogénica hidrogenotrófica con gas H2 y un gas de salida de un proceso industrial, que comprende gas CO2 y 0.1 % a 32 % de aire en volumen; en el que el potencial rédox en el biorreactor es mantenido en -100 mV o menos con el gas H2 ; y en el que la archaea metanogénica hidrogenotrófica convierte el gas H2 gas y el gas CO2 en metano, en el que el cultivo comprende un microorganismo de la clase Metanococci, clase Metanomicrobia o la clase Metanobacteria.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema para la fabricación de metano a partir de CO2

Antecedente de la invención

La autosuficiencia energética y sistemas de energía sostenible con menores impactos ambientales son objetivos nacionales críticos. El aumento en el uso de etanol derivado de biomasa como un combustible es ventajoso porque usa energía solar, más que energía fósil, como una porción de su entrada de energía y el CO2 obtenido mediante fotosíntesis a partir del ambiente, como una porción de su requerimiento material para portadores de energía. Actualmente, la fabricación de etanol a partir de maíz requiere una entrada significativa de energía de combustibles fósiles para la destilación del producto final y para el secado de los residuos de fermentación, para uso en alimentación animal. Por ello, los procedimientos actuales para la fabricación de etanol doméstico, no son energética o económicamente competitivos con el etanol producido en el extranjero a partir de caña de azúcar. Adicionalmente, un tercio del carbono en el almidón de maíz es liberado como una corriente concentrada de CO2 durante la fabricación de etanol. El Departamento de Energía de los EE. UU. ha identificado que el aumento de la eficiencia energética y la reducción de las emisiones de CO2 del proceso de fabricación de etanol, es esencial para incrementar el papel del etanol en la satisfacción de nuestras necesidades de energía. Actualmente, la producción de etanol combustible confía en los subsidios federales para su viabilidad económica. Por ello, será importante lograr mayor eficiencia económica en los procesos de fabricación de etanol, si la industria ha de ser viable y autosostenible.

Jess, H.S. et al. (1987) J Gen Appl Microbial 33:401-408 se refiere a la influencia del potencial rédox sobre la biometanización de H2 y CO2 mediante Methanobacterium thermoautotrophicum en cultivos Eh-stat en lote.

Archer, D.B. (1983) Enzyme Microb Technol 5: 162-170 se refiere a la fermentación metanogénica de residuos solubles.

La presente invención suministra un procedimiento que reduce las emisiones de CO2 de procesos industriales, incluyendo la fabricación de etanol mediante el uso de las emisiones para producir metano (gas natural).

Resumen de la invención

La presente invención suministra un procedimiento que convierte el CO2 en metano (gas natural). La presente invención utiliza CO2 producido por los procesos industriales. Son ejemplos de procesos que producen CO2 la fermentación de biomasa para producir combustibles líquidos y carbón y procesos de gasificación de biomasa. La gasificación es un procedimiento que convierte materiales carbonáceos, tales como carbón, petróleo, coque de petróleo o biomasa (material biológico vivo o muerto), en monóxido de carbono, hidrógeno y dióxido de carbono. En el procedimiento de la presente invención, corrientes de residuo gaseoso industrial de CO2, tales como aquellas formadas durante la producción de etanol o aquellas producidas por plantas de energía de carbón quemado de ciclo combinado, son combinadas con hidrógeno y soportan un proceso de fermentación microbiológica catalizado por archaea metanogénica, produciendo metano y agua. El gas hidrógeno puede ser producido a partir de una variedad de fuentes. En una realización, puede usarse potencia eléctrica barata, para producir hidrógeno a partir de agua vía electrólisis. El sistema integrado de electrólisis/fermentación de metano puede ser visto como la conversión de una fuente de energía intermitente (por ejemplo, electricidad barata en horas valle de plantas de energía) en un almacenamiento estable de energía química, usando hidrógeno como un producto intermedio y metano como el portador final de energía.

La presente invención usa un biorreactor que contiene archaea metanogénica para catalizar la siguiente reacción química:

CO2 4H2 ^ CH4 2H2O

Esta reacción ocurre con elevada eficiencia con > 95 % de conversión de CO2 a metano a temperaturas moderadas. De manera adecuada las condiciones del biorreactor permitirán que un recipiente de reacción que es 1/10 o menos del volumen del sistema de fermentación de etanol maneje toda la corriente de CO2.

La presente invención suministra un procedimiento para la conversión de dióxido de carbono producido durante un proceso industrial, en metano, el cual comprende:

contacto de un cultivo que comprende archaea metanogénica hidrogenotrófica con gas H2 y un gas de salida de un proceso industrial, que comprende gas CO2 y 0.1 % a 32 % de aire en volumen, en un biorreactor;

en el que el potencial rédox en el biorreactor es mantenido a -100 mV o menos con gas H2 ; y

en el que archaea metanogénica hidrogenotrófica convierte el gas H2 y el gas CO2 en metano, en el que el cultivo comprende un microorganismo de la clase Metanococci, clase Metanomicrobia o la clase Metanobacteria.

El proceso industrial puede ser gasificación de carbón, gasificación de biomasa, o producción de combustible líquido mediante fermentación de biomasa, de manera adecuada producción de etanol a partir de una biomasa tal como maíz. Pueden seleccionarse cualquier temperatura y presión adecuadas para la condición del biorreactor, dependiendo por lo menos en parte de la archaea metanogénica seleccionada. En algunas realizaciones, adecuadamente las presiones dentro del biorreactor varían de aproximadamente 0.5 atmósferas a aproximadamente 500 atmósferas. El biorreactor puede contener también una fuente de agitación intermitente del cultivo.

El potencial rédox de aproximadamente -100 mV o menos es mantenido mediante el suministro de una cantidad adecuada de gas hidrógeno.

También en una realización, el gas metano retirado del biorreactor comprende de manera adecuada menos de aproximadamente 450 ppm de sulfuro de hidrógeno, o alternativamente menos de aproximadamente 400 ppm, 300 ppm, 200 ppm o 150 ppm de sulfuro de hidrógeno.

Además, en ciertas realizaciones el gas industrial de salida industrial comprende, por lo menos de manera intermitente, además aire y/o monóxido de carbono. El gas industrial de salida comprende 0.1 % a 32 % de aire en volumen, o menos de aproximadamente 4 % de aire en volumen, o por lo menos aproximadamente 4 %, 8 % o 16 % de aire en volumen. De manera adecuada, el gas industrial de salida puede comprender también menos de aproximadamente 40 % de monóxido de carbono en volumen, o menos de aproximadamente 8 % de monóxido de carbono en volumen, o por lo menos aproximadamente 8 % de o 16 % de monóxido de carbono en volumen.

En otra realización, el biorreactor comprende un cultivo de archaea metanogénica hidrogenotrófica, una fuente de un gas de salida de un proceso industrial que comprende CO2 que alimenta al biorreactor, una fuente de gas hidrógeno que alimenta al biorreactor, una alimentación de gas del biorreactor para retirar gas del biorreactor, una alimentación para suministrar medio fresco, y una alimentación para el retiro del cultivo.

Dibujos

La FIG. 1 muestra un diseño esquemático de una realización de una planta de recaptura de CO2 y producción de metano.

La FIG. 2 muestra un diseño esquemático de una realización de un biorreactor estratificado.

La FIG. 3 muestra un diseño esquemático de un sistema de un conjunto de biorreactores en arreglo en serie en cascada.

La FIG. 4 es una gráfica que muestra la curva de crecimiento de producción de metano de Methanococcus maripaludis. La FIG. 5 es una gráfica que demuestra los efectos de la agitación de un cultivo de Methanococcus maripaludis respecto a la producción de metano.

La FIG. 6 es una gráfica que muestra los cambios en conversión de hidrógeno en metano, catalizada por Methanococcus maripaludis, respecto a los cambios en la tasa de alimentación de gas hidrógeno dentro del biorreactor.

La FIG. 7 es una gráfica que muestra la recuperación de metanogénesis en un cultivo de Methanosarcina barkeri después de la exposición a 10 minutos de 100 % de aire.

La FIG. 8 es una gráfica que muestra la recuperación de metanogénesis en un cultivo de Methanosarcina barkeri después de la exposición a 10 minutos de 100 % de aire.

La FIG. 9 es una gráfica que muestra la recuperación de metanogénesis en un cultivo de Methanosarcina barkeri después de la exposición a 90 minutos de 100 % de aire.

La FIG. 10 es una gráfica que muestra la recuperación de metanogénesis en un cultivo de Methanosarcina barkeri después de la exposición a 15 horas de 100 % de aire.

FIG. 11 es una gráfica que muestra la recuperación de metanogénesis en un cultivo de Methanococcus maripaludis después de la exposición a 10 minutos de 100 % de aire.

La FIG. 12 es una gráfica que muestra la recuperación de metanogénesis en un cultivo de Methanococcus maripaludis durante la exposición a una mezcla de aire y gas hidrógeno.

La FIG. 13 es una gráfica que muestra la recuperación de metanogénesis en un cultivo de Methanococcus maripaludis durante la exposición a una mezcla de monóxido de carbono y gas hidrógeno.

La FIG. 14 es una gráfica que muestra la recuperación de metanogénesis en un cultivo de Methanococcus maripaludis durante la exposición a una mezcla de monóxido de carbono y gas hidrógeno.

Descripción detallada de la invención

En esta memoria se divulga un sistema de biorreactor que puede estar integrado con procesos industriales que producen gas CO2 como un subproducto. En una realización, tal proceso es la producción de etanol a partir de biomasa. La divulgación comprende un biorreactor que contiene un cultivo microbiano capaz de realizar metanogénesis hidrogenotrófica (es decir, la conversión de gas CO2 más gas hidrógeno en gas metano). El biorreactor está acoplado a una fuente de hidrógeno y una fuente de gas CO2. De manera adecuada, la fuente de gas CO2 es la corriente de gas CO2 que es emitida por la fabricación de etanol. La fuente de hidrógeno es adecuadamente hidrógeno producido por la electrólisis de agua. De manera adecuada, esta hidrólisis es impulsada por electricidad usada en horas valle. El metano producido por el sistema puede ser alimentado de vuelta a la instalación de fabricación de etanol para impulsar diferentes procesos, y/o puede ser almacenado y vendido como combustible.

Los cultivos microbianos adecuados para la práctica de la invención son obtenibles fácilmente de colecciones públicas de organismos, o pueden ser aislados de una variedad de fuentes ambientales. Tales fuentes ambientales incluyen suelos y arenas anaeróbicos, turberas, pantanos, marismas, estuarios, densas esteras de algas, sedimentos y lodos terrestres y marinos, océano profundo y pozos profundos, aguas residuales y vertederos de desechos orgánicos e instalaciones de tratamiento y tractos intestinales de animales y heces. Son adecuados muchos cultivos puros de especies individuales. Todos los cultivos puros clasificados son miembros del dominio Archaeal [Woese et al. Proc Natl Acad Sci USA 87:4576-4579 (1990) "Towards a natural system of organisms: Proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucharya."] y caen dentro de 4 clases diferentes del reino Euryarchaea. Los ejemplos de organismos adecuados han sido clasificados dentro de 4 géneros diferentes dentro de la clase Metanobacteria (por ejemplo, Methanobacterium alcaliphilum, Methanobacterium bryantii, Methanobacterium congolense, Methanobacterium defluvii, Methanobacterium espanolae, Methanobacterium formicicum, Methanobacterium ivanovii, Methanobacterium palustre, Methanobacterium thermaggregans, Methanobacterium uliginosum, Methanobrevibacter acididurans, Methanobrevibacter arboriphilicus, Methanobrevibacter gottschalkii, Methanobrevibacter olleyae, Methanobrevibacter ruminantium, Methanobrevibacter smithii, Methanobrevibacter woesei, Methanobrevibacter wolinii, Methanothermobacter marburgensis, Methanothermobacter thermautotrophicum, Methanothermobacter thermoflexus, Methanothermobacter thermophilus, Methanothermobacter wolfeii, Methanothermus sociabilis), 5 géneros diferentes dentro de la clase Methanomicrobia (por ejemplo, Methanocorpusculum bavaricum, Methanocorpusculum parvum, Methanoculleus chikuoensis, Methanoculleus submarinus, Methanogenium frigidum, Methanogenium liminatans, Methanogenium marinum, Methanosarcina acetivorans, Methanosarcina barkeri, Methanosarcina mazei, Methanosarcina thermophila, Methanomicrobium mobile), 3 géneros diferentes dentro de la clase Methanococci (por ejemplo, Methanocaldococcus jannaschii, Methanococcus aeolicus, Methanococcus maripaludis, Methanococcus vannielii, Methanococcus voltaei, Methanothermococcus thermolithotrophicus). También se divulga en esta memoria un género con la clase Methanopyri (por ejemplo, Methanopyrus kandleri). Los cultivos adecuados están disponibles de colecciones públicas de cultivos (por ejemplo, la American Type Culture Collection, la Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, y la Oregon Collection de Methanogens). Muchos metanógenos hidrogenotróficos adecuados, aislados en cultivo puro y disponibles en colecciones públicas de cultivo, no ha sido clasificados aún completamente. Los organismos de cultivo puro preferidos incluyen Methanosarcinia barkeri, Methanococcus maripaludis, y Methanothermobacter thermoautotrophicus.

Los cultivos adecuados de mezclas de dos o más microorganismos son aislados también fácilmente de las fuentes ambientales especificadas [Bryant et al. Archiv Microbiol 59:20-31 (1967) "Methanobacillus omelianskii, a symbiotic association of two species of bacteria."]. Las mezclas adecuadas pueden ser sociedades en las cuales células de dos o más especies se asocian físicamente o pueden ser mezclas sintróficas en las cuales dos o más especies cooperan metabólicamente sin asociación física. Los cultivos mixtos pueden tener propiedades útiles, más allá de aquellas disponibles de los cultivos puros de metanógenos hidrogenotróficos conocidos. Estas propiedades pueden incluir, por ejemplo, la resistencia a contaminantes en la corriente de alimentación de gas, tales como oxígeno, etanol u otros componentes traza, o crecimiento agregado lo cual puede incrementar la densidad del cultivo y capacidad volumétrica del cultivo para el procesamiento de gas.

También pueden obtenerse cultivos adecuados de organismos mixtos, mediante la combinación de cultivos aislados de dos o más fuentes. En un cultivo mixto adecuado, una o más de las especies debería ser metanógeno de Archaea. Cualquier especie que no es de Archaea puede ser bacteriana o eucariota.

También pueden obtenerse cultivos adecuados mediante modificación genética de organismos no metanogénicos, en los cuales los genes esenciales para el soporte de la metanogénesis hidrogenotrófica son transferidos de un microorganismo metanogénico o de una combinación de microorganismos que pueden o pueden no ser metanogénicos por sí mismos. También puede obtenerse modificación genética adecuada mediante síntesis enzimática o química de los genes necesarios.

El sistema de biorreactor puede suministrar producción continua o discontinua de metano usando un cultivo hidrogenotrófico metanogénico continuo que opera bajo condiciones estables. Abajo en los Ejemplos se presenta un ejemplo de tales condiciones adecuadas y también es suministrado en Schill, N., van Gulik, M., Voisard, D., & von Stockar, U. (1996) Biotechnol & Bioeng 51:645-658. "Continuous cultures limited by a gaseous substrate: development of a simple, unstructured mathematical model and experimental verification with Methanobacterium thermoautotrophicum".

El medio de cultivo puede contener sales minerales diluidas, y debería ser adaptado al cultivo particular en uso.

El medio debería ser reemplazado a una tasa adecuada para mantener una concentración útil de minerales esenciales, para eliminar cualesquier productos metabólicos que puedan inhibir la metanogénesis. Son adecuadas las tasas de dilución por debajo de 0.1 volumen de cultivo por hora, dado que ellas rinden elevadas concentraciones volumétricas de capacidad de generación activa de metano. De manera sorprendente, se encontró que las tasas de dilución menores que 0.001 volúmenes suministraban capacidad de generación activa de metano.

Las tasas de entrega de gas total (CO2 más H2) en el intervalo de 0.2 a 1 volumen de gas (STP) por volumen de cultivo por minuto son adecuadas, dado que ambas mantienen y explotan elevadas concentraciones volumétricas de capacidad de generación activa de metano.

El potencial rédox puede ser mantenido por debajo de -100 mV o menos durante la metanogénesis. El potencial rédox puede ser incrementado de manera transitoria a más de -100 MV, como por ejemplo cuando se añade aire al sistema.

En los ejemplos abajo, se mantuvo la temperatura del cultivo cerca al óptimo para el crecimiento del organismo usado en el cultivo (por ejemplo, aproximadamente 35 °C a aproximadamente 37 °C para organismos mesofílicos tales como Methanosarcinia barkeri y Methanococcus maripaludis o aproximadamente 60 °- 65 °C para termofílicos tales como Methanothermobacter thermoautotrophicus, y aproximadamente 85 °C - 90 °C para organismos tales como Methanocaldococcus jannaschii). Sin embargo, se concibe que pueden usarse temperaturas por encima o por debajo de las temperaturas para el crecimiento óptimo. En efecto, pueden obtenerse tasas de conversión de metano mayores, a temperaturas por encima de la temperatura de tasa de crecimiento óptimo.

En una realización de la invención, se introduce un agente reductor dentro del proceso de fermentación junto con CO2 e hidrógeno, este agente reductor puede ser de manera adecuada sulfuro de hidrógeno o sulfuro de sodio. En una realización, puede suministrarse una mezcla 4:1 de gases H2 y CO2 a una tasa total de gasificación (wm) de 0.1 litros de gas por litro de cultivo por minuto [l/(l-min)] a >1.0 l/(l-min), con más de 95 % del CO2 convertido en metano y el resto del CO2 en la entrada siendo convertido en biomasa celular.

En general, el gas hidrógeno es suministrado en el procedimiento en concentraciones efectivas que permiten que por lo menos una porción del dióxido de carbono en el biorreactor sea convertida en metano.

En otra realización, el potencial rédox del cultivo puede ser mantenido en < -100 mV vía una celda electroquímica sumergida en el medio.

En otra realización, el sistema comprende diferentes procedimientos y/o rasgos que reducen la presencia de oxígeno en la corriente de CO2 que es alimentada al interior del biorreactor. Cuando se usan microorganismos metanogénicos anaeróbicos obligados para catalizar la formación de metano, la presencia de oxígeno puede ir en detrimento del desempeño del proceso y contaminar el producto gaseoso. Por ello, la disminución de la presencia de oxígeno en la corriente de CO2 es útil para mejorar el proceso. En una realización, se disminuye el nivel de oxígeno antes de la entrada del gas dentro del recipiente de fermentación, mediante paso de la corriente mixta de H2/CO2 sobre un catalizador de paladio, el cual convierte cualquier traza de oxígeno en agua. En esta realización, e1H2 es suministrado en una cantidad por encima de la cantidad necesaria en el cultivo por una relación de 2:1 respecto al oxígeno contaminante. En otra realización, el oxígeno es retirado mediante pretratamiento de la corriente de gas en un biorreactor. En esta realización, el agente reductor puede ser suministrado mediante suministro de una fuente de material orgánico (por ejemplo, glucosa, almidón, celulosa, residuo de fermentación de una planta de etanol, residuo de suero, etc.) que puede servir como sustrato para una fermentación oxidativa. El catalizador biológico microbiano es elegido para que fermente de modo oxidativo la fuente orgánica escogida, rindiendo CO2 a partir del oxígeno contaminante. En esta realización, se suministraría H2 adicional para facilitar la conversión en el fermentador anaeróbico de este CO2 adicional hasta metano. En otra realización, el retiro de oxígeno es logrado en el recipiente principal de fermentación vía un cultivo mixto de microorganismos, que incluye uno capaz de fermentar de modo oxidativo una fuente orgánica añadida, adicionalmente al metanógeno hidrogenotrófico necesario para la fabricación de metano. Un ejemplo de un cultivo mixto adecuado fue aislado originalmente como "Methanobacillus omelianskii' y es obtenido fácilmente de fuentes ambientales [Bryant et al. Archiv Microbiol 59:20-31 (1967) "Methanobacillus omelianskii, a symbiotic association of two species of bacteria."]. En otra realización, en el biorreactor se usa un metanógeno tolerante con el oxígeno, para mejorar la estabilidad del procedimiento de formación de metano en la presencia de oxígeno contaminante. Tanto Methanosarcinia barkeri como Methanococcus maripaludis son suficientemente tolerantes al oxígeno en presencia de oxígeno contaminante.

La FIG. 1 representa una realización de una planta de recaptura de CO2 y fabricación de metano, que usa los procedimientos descritos anteriormente. Una fuente (A) industrial de CO2 - por ejemplo, planta de etanol combustible - con el afluente de CO2 y demanda de gas natural, descarga CO2 a un tanque (B) de recolección y almacenamiento de CO2. Un hidrolizador (C) produce hidrógeno, de manera adecuada de electrólisis. El hidrógeno producido por el hidrolizador (C) es recolectado en un tanque (D) de almacenamiento de hidrógeno. El hidrógeno y el CO2 de los respectivos tanques de almacenamiento son alimentados a través de un purificador (E) de oxígeno para el retiro de oxígeno de la corriente el afluente de CO2. Después del paso a través del purificador (E) de oxígeno, el hidrógeno y el CO2 son alimentados dentro de un sistema (F) fermentador/biorreactor para la conversión de CO2 H2 hasta metano. Un tanque de almacenamiento que suministra medio (I) está conectado también con el sistema (F) fermentador/biorreactor, para mantener reabastecimiento de nutrientes en fermentador. El gas metano descargado desde el fermentador/biorreactor (F) pasa a través de un purificador (G) de azufre para recuperar azufre de la corriente de producto metano. El gas metano puede ser luego almacenado en un tanque (H) de almacenamiento de metano.

Un biorreactor, también conocido como recipiente fermentador, como se describe en la invención es cualquier recipiente adecuado en el cual puede tener lugar la metanogénesis. Los biorreactores adecuados para ser usados en la presente invención deberían ser dimensionados respecto al volumen de la fuente de CO2. Las corrientes típicas de 2,200,000 lb de CO2/día de una planta de 100,000,000 gal/año de etanol requerirían un fermentador de recuperación de CO2/producción de metano de una capacidad total aproximada de 750,000 gal. Serían adecuados recipientes fermentadores similares a las unidades de fermentación individuales de 750,000 gal instaladas en tal planta de etanol.

La FIG. 2 representa una realización de un biorreactor estratificado que puede ser usado en la presente invención. En esta realización, el biorreactor tiene el CO2 e hidrógeno entrando al fondo del biorreactor junto con los nutrientes para el biorreactor. En la cabeza del biorreactor se coloca un impulsor mecánico y es usado para mover un aparato de mezcla dentro del biorreactor. El biorreactor tiene tres zonas, A, B y C. La zona A en el fondo del reactor es una zona con alto CO2. La zona B, en el centro del biorreactor tiene una disminución en la presencia de CO2, y la zona C en el extremo superior del reactor tiene poco, si acaso, CO2. El metano producido, y en medio gastados son retirados de la cabeza del biorreactor.

La FIG. 3 representa una realización de un biorreactor en cascada que puede ser usado en la presente invención. En esta realización, el hidrógeno, CO2 y nutrientes celulares son alimentados en el fondo de un primer compartimiento (A). En este compartimiento (A), incluso después de la fermentación, hay todavía un elevado nivel de CO2. El gas producido por la reacción de fermentación en el primer compartimiento (A) es luego transferido de la cabeza del primer compartimiento al fondo de un segundo compartimiento (B) junto con los nutrientes celulares. En este segundo compartimiento (B) disminuye el nivel de CO2 desde los niveles hallados en el primer compartimiento (A). El gas producido por la reacción de fermentación en el segundo compartimiento (B) es transferido de la cabeza del segundo compartimiento (B) al fondo de un tercer compartimiento (C) junto con nutrientes celulares. En este tercer compartimiento (C) la mayoría, si no todo, el CO2 ha sido retirado y sólo el gas metano es dejado para ser retirado de la cabeza del compartimiento. en cada uno de los compartimientos, el medio gastado puede ser retirado de los compartimientos.

Ejemplo 1 - Ajuste general para biorreactor a escala de mesa

Se usó un biorreactor a escala de mesa para probar una serie de variables importantes en el diseño y operación de un biorreactor a escala industrial. En los siguientes experimentos se usó un recipiente de fermentación (biorreactor) de 1,3 litros (BioFlo 110, New Brunswick), ajustado con un electrodo de pH Ingold autoclavable, para la medición de pH en el medio y un electrodo ORP autoclavable de banda de platino de doble unión de Lazar Labs, para la medición del potencial de oxidación-reducción (ORP) del medio. El biorreactor contenía 1 litro de medio de cultivo y fue agitado a 400 rpm con un impulsor Rushton. Con 1 litro de medio, el biorreactor tiene un espacio de cabeza de 300 cc de gas. La cámara fue ajustada también con una bomba peristáltica que podía controlar la adición de un reductor químico, tal como Na2S. Una segunda bomba peristáltica controló la adición constante de medio de cultivo fresco al recipiente, para habilitar la operación continua del cultivo. Se usó una tercera bomba peristáltica para retirar el exceso de líquido del recipiente del cultivo, manteniendo un volumen constante de 1 l. El exceso de líquido incluía el agua metabólica generada durante la metanogénesis, así como el incremento en el volumen de medio de la operación continua del cultivo. La temperatura del cultivo fue controlada mediante una manta de calentamiento. Las mezclas de gas fueron introducidas vía un aspersor en el fondo del recipiente. La composición de la mezcla de gas fue controlada mediante tres controladores de flujo másico, uno para H2, uno para CO2, y un tercero que podría ser usado para el control de la adición de aire, CO, o N2. Generalmente, se usó y pasó una composición de gas de 1 volumen de CO2 a 4 volúmenes de H2, sobre un catalizador de paladio (Alfa AESAR) antes de la introducción al cultivo. El cultivo en el biorreactor fue mantenido a aproximadamente 1 atmósfera de presión. El gas que salía del recipiente del cultivo a presión atmosférica de ambiente fue pasado a través de un condensador a 4°C para disminuir el contenido de vapor de agua. Se analizó la composición de la corriente de gas efluente, mediante un espectrómetro de masas de cuatro polos Cirrus, de modo continuo barriendo el intervalo de masa de 1 a 50 unidades de masa atómica. Para corregir las variaciones en la presión ambiente durante el tiempo, cada barrido fue normalizado a la suma de las masas detectadas. Se determinó la composición de los gases individuales mediante comparación con mezclas de diferente composición generadas con el sistema de control de flujo másico. Se hicieron mediciones de la cantidad de metano producido por un volumen dado de cultivo por unidad de tiempo, así como de la eficiencia en la conversión de CO2 y H2 de entrada a metano.

Ejemplo 2 - Biorreactor a escala de mesa usando Methanococcus maripaludis

Se usó el ajuste general del Ejemplo 1, con el organismo Methanococcus maripaludis. Se cultiva el Methanococcus maripaludis a 37 °C en medio McCas modificado que contiene los siguientes componentes por litro de medio: KCl 0.335g, M g C h ^ O 2.75g, M gS O W ^O 3.45g, C a C h ^ O 0.14g, NH4Cl 0.5g, NaHCOa 8.4g, NaCl 22g, K2HPO4 0.14g, FeSO4^7H2O 9.5mg, resazurina 1mg, aminoácidos Cas 2g, cisteína-^O^HCl 0.5g, Na3citrato ^2^O 21mg, MnSO4^2H2O 5mg, COCh(-6H2O) 1mg, ZnSO4^7H2O) 1mg, CuSO4^5^O 0.1mg, AlK(SO4)2 0.1mg, H3BO40.1mg, Na2MoO4^2H2O 1mg, NiC^6H2O 0.25mg, Na2SeO32mg, V(III)Cl 0.1mg, Na2WO4^2^O 1mg, biotina 0.02mg, ácido fólico 0.02mg, piridoxina HCl 0.10mg, tiamina HCl 0.05mg, riboflavina 0.05mg, ácido nicotínico 0.05mg, DL-pantotenato de calcio 0.05mg, vitamina B120.001mg, ácido p-aminobenzoico 0.05mg, ácido lipoico 0.05mg. Después de pasar por el autoclave y antes de la inoculación, se redujo el medio mediante adición de 0.5g/l de Na2S de una solución madre estéril 50x anaeróbica, dando como resultado un ORP del medio por debajo de -100 mV. Antes de la inoculación, se equilibró el medio con una fase gaseosa que contiene una presión parcial de 0.2 atmósfera de CO2 para dar un pH en el intervalo de 7.2-7.3. El medio inicial usado para iniciar el cultivo contenía, adicionalmente a los componentes anteriores, 1.4g/l de Na acetatô 3H2O, pero el reservorio de medio usado en condiciones de cultivo continuo carecía de la adición de acetato.

Se inoculó inicialmente 1 litro del medio fresco, con 5 ml de Methanococcus maripaludis en una fase estacionaria, y se vigiló durante el tiempo la producción de metano. Como se muestra en la FIG. 4, se suministró una alimentación de gas de 4:1 H2:CO2 (125 cc/min o 180 volúmenes de gas (STP) por volumen de cultivo por un día (VVD), 144 vvd de H2 y 36 vvd de CO2) a un cultivo de pH 7.33 y un ORP de -140 mV. Durante la fase de crecimiento, la tasa de producción de metano está limitada por los catalizadores biológicos disponibles para la reacción. La tasa de producción de metano se estabilizó una vez disminuyó el hidrógeno disuelto en el medio. La tasa estabilizada está limitada por el proceso físico de transferencia de masa gas-a-líquido de hidrógeno, más que por factores biológicos. Una vez se observó esta transición a producción estable de metano, se cambió el cultivo a condiciones de cultivo continuo, en las cuales se añadió medio fresco a una tasa constante de 0.94 ml/h, o 22.5 ml/día. Se halló que una entrada más lenta de medio de cultivo fresco conducía a un cultivo más denso y con ello mejor desempeño volumétrico. Sin embargo, en el límite de no añadir medio fresco, se encontró que finalmente el cultivo muere.

Ejemplo 3 - Efecto de la agitación sobre la producción de metano de Methanococcus maripaludis

La turbidez del cultivo obtenido en el Ejemplo 2 continuó incrementando después de alcanzarse la tasa de producción de metano limitada por la transferencia de masa gas-a-líquido, suministrando un exceso de capacidad catalítica biológica. Puede accederse a esta capacidad catalítica adicional cambiando parámetros físicos que incrementan la tasa de transferencia de masa gas-a-líquido. Como se muestra en la FIG. 5, se varió la tasa de mezcla en el cultivo, de las 400 rpm estándar. Se usó una tasa total de alimentación de una mezcla de gas 4:1 H2:CO2 ( 250 cc/min (288 wd de H2; 72 wd de CO2)). A esta tasa de alimentación de gas, la eficiencia de conversión de CO2 e hidrógeno alcanza 55-56 % a velocidades de mezcla más altas, demostrando que las tasas de agitación más altas incrementan la transferencia gas-a-líquido y por ello mayor producción de metano. Otros procedimientos abióticos que pueden ser usados para incrementar la transferencia de masa gas-a-líquido y por ello la tasa de producción de metano incluyen 1) aumento en la presión de gas y 2) aumento en la temperatura. Algunos archaea metanogénicos pueden desarrollarse a presiones por encima de 500 atmósferas. Respecto a diferentes condiciones de temperatura, como el catalizador biológico pueden usarse los metanógenos termofílicos, tales como Methanothermobacter thermoautotrophicus (a aproximadamente 60°C-65°C) o Methanocaldococcus jannaschii (a aproximadamente 85°-90°C).

Ejemplo 4 - Eficiencia de conversión de H2 por Methanococcus maripaludis

Se colocó un cultivo de Methanococcus maripaludis en un biorreactor como se explicó en el Ejemplo 2. Como se muestra en la FIG. 6, se alimentó gas a un cultivo maduro a tasas variables, manteniendo una relación 4:1 de hidrógeno a dióxido de carbono. Una vez el cultivo estuvo por encima de la densidad celular limitada por la transferencia de masa gas-líquido, se encontró que la producción de metano pudo ser incrementada al aumentar la tasa de alimentación de gas H2. Sin embargo, se encontró que a mayores tasas de alimentación de gas H2 se convirtió en metano una proporción decreciente del gas H2. También se encontró que lo inverso era cierto, que a menores tasas de alimentación de gas el hidrógeno era convertido más eficientemente en metano. Dado que el volumen de gas de alimentación gas (4 volúmenes de hidrógeno más 1 volumen de CO2) disminuye a medida que es convertido en metano (1 volumen de producto metano), es ventajoso un sistema de biorreactor en cascada o estratificado como se muestra en las FIG. 2 y FIG. 3. En un sistema de biorreactor en serie como se muestra en la FIG. 3, el hidrógeno residual en el gas efluente de un primer fermentador suministraría una menor tasa de alimentación a un segundo fermentador y por ello sería convertido con mayor eficiencia en el segundo fermentador. Este fenómeno puede ser usado para obtener una conversión altamente eficiente en un diseño de fermentador en cascada.

Ejemplo 5 - Biorreactor a escala de mesa usando Methanosarcina barkeri

Se usó el arreglo general del Ejemplo 1 con el organismo Methanosarcina barkeri. Se cultivó Methanosarcina barkeri (cepa DSM 804 obtenido de Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH) a 35 °C en medio MS enriquecido que contenía los siguientes componentes por litro de medio: NaHCO3 8.4g, extracto de levadura 2.0g, peptonas tripticasa 2.0g, ácido mercaptoetano sulfónico 0.5g, NH4Cl 1.0g, K2HPO4^7H2O 0.4g, MgC^7H2O 1.0g, C a C h ^ O 0.4g, resazurina 1mg, cisteína^O ^HCl 0.25g, Na2EDTA^2H2O 5mg, MnC^4H2O 1mg, CoCh^6H2O) 1.5mg, FeSO4^7H2O 1mg,ZnCl2 1mg, AlC^6H2O 0.4mg, Na2WO4^2H2O 0.3mg, CuCl 0.2mg, NiSO4^6H2O 0.2mg, H2SeO3 0.1mg, H3BO4 0.1mg, Na2MoO4^2H2O 0.1mg, biotina 0.02mg, ácido fólico 0.02mg, piridoxina HCl 0.10mg, tiamina HCl 0.05mg, riboflavina 0.05mg, ácido nicotínico 0.05mg, DL- pantotenato de calcio 0.05mg, vitamina B12 0.001mg, ácido p-aminobenzoico 0.05mg, ácido lipoico 0.05mg. Después de pasar por el autoclave y antes de inoculación, se redujo el medio mediante adición de 0.5g/l de Na2S de una solución patrón estéril anaeróbica 50x, dando como resultado un ORP del medio menor a -100 mV. Antes de la inoculación se equilibró el medio con una fase gaseosa que contenía presión parcial de 0.2 atmósfera de CO2 para dar un pH en el intervalo de 6.8-7.0.

Inicialmente se inoculó 1 litro del medio fresco con 20 ml de Methanosarcina barkeri en una fase estacionaria, y se vigiló durante el tiempo la producción de metano. Una vez se observó la transición a la producción estable de metano, se cambió el cultivo a condiciones de cultivo continuo, en las cuales se añadió medio fresco a una tasa constante de 0.94 ml/h, o 22.5 ml/día. Se halló que una entrada más lenta de medio de cultivo fresco conducía a un cultivo más denso y con ello mejor desempeño volumétrico. Sin embargo, en el límite de no añadir medio fresco, se encontró que finalmente el cultivo muere.

Ejemplo 6 - Recuperación de la exposición al oxígeno - Recuperación de Methanosarcina barkeri con exposición a 10 minutos de aire.

Los organismos metanogénicos son mirados como anaeróbicos extremadamente estrictos. El oxígeno es conocido como un inhibidor de los catalizadores enzimáticos de la absorción de hidrógeno y la metanogénesis. Un bajo potencial de oxidación-reducción (ORP) en el medio de crecimiento es mirado como importante para la metanogénesis. El aire es un posible contaminante de las corrientes de dióxido de carbono que podría ser usado para soportar el almacenamiento de energía en la forma de metano y así se examinaron los efectos del aire sobre la capacidad de los cultivos para producir metano.

La FIG. 7 muestra la recuperación de la actividad metanogénica de Methanosarcina barkeri después de la exposición al aire. Se preparó un biorreactor a escala de mesa que contenía Methanosarcina barkeri, como se describe en el Ejemplo 5. Se ejecutaron dos experimentos que involucraban la exposición del cultivo a 100 % de aire durante 10 minutos a una tasa de flujo de 500 cc/min. El aire del ambiente comprende aproximadamente (por contenido molar/volumen) 78 % de nitrógeno, 21 % de oxígeno, 1 % de argón, 0.04 % de dióxido de carbono, cantidades traza de otros gases, y una cantidad variable (en promedio alrededor de 1 %) de vapor de agua. Durante la exposición a 100 % de aire, se detuvo la metanogénesis y se elevó el ORP del medio de cultivo. El aire usado en el experimento también desplaza el CO2 disuelto en el medio, causando la elevación en el pH (no mostrada en esta figura). Luego de la exposición por 10 minutos a 100 % de aire, se restauraron los flujos de H2 y CO2 (100 cc/min de H2, 25 cc/min de CO2).

En el primer experimento, se añadió 1.5 ml de una solución al 2.5 % de sulfuro (Na2S^7H2O) dentro de los 4 minutos de terminación de la alimentación de aire y restauración de la alimentación de gas H2/CO2. El sulfuro es ampliamente usado para controlar el ORP de los cultivos, control que es mirado como esencial. En otro experimento, se añadió así sulfuro. Las curvas punteadas muestran un caso en el cual no se añadió sulfuro y la línea sólida muestra la recuperación del cultivo cuando se añadió sulfuro. En ambos casos, se recupera la metanogénesis. La figura muestra que la adición de sulfuro para el control de ORP en el caso 1 provoca que el sulfuro de hidrógeno emitido se eleve a 3000 ppm. En el caso del control de ORP con hidrógeno (sin adición de sulfuro), el nivel de sulfuro de hidrógeno está en o por debajo del límite de detección del espectrómetro de masas bajo estas condiciones de operación (50-100 ppm). La metanogénesis comienza a recuperarse más rápidamente en el caso de control de ORP con sulfuro, pero el experimento muestra que el sulfuro no es esencial para la recuperación. La presencia del hidrógeno en la fase gaseosa es suficiente para disminuir el ORP del cultivo para habilitar la metanogénesis, no se requiere control adicional de ORP del cultivo. Se nota la falta de necesidad de sulfuro, en que los cultivos metanogénicos son mantenidos típicamente a 10,000 ppm de sulfuro de hidrógeno en la fase gaseosa. Tales niveles elevados de sulfuro no son tolerados en ciertos procesos industriales, por ejemplo, las tarifas para tubería de gas natural en los Estados Unidos ajustan niveles máximos de contenido de sulfuro de hidrógeno en el gas natural que varía de 4-16 ppm, dependiendo del sistema de tubería.

La FIG. 8 también muestra la recuperación de Methanosarcina barkeri después de la anterior exposición al aire (ausencia de adición de sulfuro) después de 7 horas.

Ejemplo 7 - Recuperación de la exposición al oxígeno - Recuperación de Methanosarcina barkeri con exposición a 90 minutos de aire.

La FIG. 9 muestra la recuperación de Methanosarcina barkeri después de 15 horas de exposición al aire. Se preparó un biorreactor a escala de mesa que contenía Methanosarcina barkeri, como se describió en el Ejemplo 5. Se expuso el cultivo a 100 % de aire durante 90 minutos, introducido a 1 l/min (1440 vvd). Durante la exposición a 100 % de aire, se detuvo la metanogénesis y se elevó el ORP del medio de cultivo. El aire usado en el experimento también desplazó el CO2 disuelto en el medio, causando la elevación en el pH. Luego de la exposición por 90 minutos a 100 % de aire, se restauraron los flujos de H2 y CO2 (100 cc/min de H2 (144 vvd), 25 cc/min de CO2 (36 vvd)). La restauración del hidrógeno como un reductor fue suficiente para disminuir el ORP a niveles que favorecen la metanogénesis. La producción de metano comenzó dentro de 1 hr de la restauración de fase gaseosa 4:1 H2:CO2 (100 cc/min de H2, 25 cc/min de CO2). La recuperación completa de la producción de metano fue lograda dentro de 3-4 hrs.

Ejemplo 8 - Recuperación de la exposición al oxígeno - Recuperación de Methanosarcina barkeri con exposición a 15 horas de aire.

La FIG. 10 muestra la recuperación de Methanosarcina barkeri después de 15 horas de exposición al aire. Se preparó un biorreactor a escala de mesa que contenía Methanosarcina barkeri, como se describió en el Ejemplo 5. Se expuso el cultivo a 100 % de aire durante 15.1 horas, a una tasa de flujo de 1 l/min. Durante la exposición a 100 % de aire, se detuvo la metanogénesis y se elevó el ORP del medio de cultivo a aproximadamente -10 mV. El aire usado en el experimento también desplazó el CO2 disuelto en el medio, causando la elevación en el pH a 9.3. Luego de la exposición por 15.1 hora a 100 % de aire, se restauraron los flujos de H2 y CO2 (100 cc/min de H2, 25 cc/min de CO2). La restauración del hidrógeno como un reductor fue suficiente para disminuir el ORP a niveles que favorecen la metanogénesis. La producción de metano comenzó dentro de 1.1 hr de la restauración de fase gaseosa 4:1 H2:CO2 (100 cc/min de H2, 25 cc/min de CO2). La recuperación completa de la producción de metano fue lograda dentro de 3 hrs.

Ejemplo 9 - Recuperación de la exposición al oxígeno - Recuperación de Methanococcus maripaludis con exposición de 10 minutos al aire.

La FIG. 11 muestra la recuperación de la actividad metanogénica de Methanococcus maripaludis después de la exposición al aire. Se preparó un biorreactor a escala de mesa que contenía Methanococcus maripaludis, como se describió en el Ejemplo 2. Se expuso el cultivo a 100 % de aire durante 10 minutos a 360 vvd. Durante la exposición a 100 % de aire, se detuvo la metanogénesis y se elevó el ORP del medio de cultivo. El aire usado en el experimento también desplazó CO2 disuelto en el medio, causando la elevación del pH. Después de la exposición por 10 minutos a 100 % de aire, se restauraron los flujos de H2 y CO2 (288 vvd de H2, 72 vvd de CO2). Se mostró que la metanogénesis se había recuperado en un periodo de 10 min, ocurriendo la total recuperación de la tasa de producción de metano dentro de 1.5 horas.

Ejemplo 10 - Producción mantenida de metano por Methanococcus maripaludis en presencia de aire.

La FIG. 12 muestra que la producción de metano puede continuar incluso en presencia de aire, siempre y cuando esté presente hidrógeno para mantener el ORP del cultivo en niveles productivos. Se preparó un biorreactor a escala de mesa que contenía Methanococcus maripaludis, como se describió en el Ejemplo 2. Se expuso el cultivo a una mezcla de 4 % de aire y 76 % de hidrógeno a una tasa de flujo de 100 cc/min y CO2 a 25 cc/min por un período de 2.3 horas. Luego se incrementó el porcentaje de aire hasta 8 %, suministrando una mezcla de 8 % de aire y 72 % de hidrógeno a una tasa de flujo de 100 cc/min y CO2 a 25 cc/min por un periodo de 1.7 horas. Luego se incrementó el porcentaje de aire a 16 %, suministrando una mezcla de 16 % de aire y 64 % de hidrógeno a una tasa de flujo de 100 cc/min y CO2 a 25 cc/min por un periodo de 1.1 horas. Finalmente, se incrementó el porcentaje de aire a 32 %, suministrando una mezcla de 32 % de aire y 58 % de hidrógeno a una tasa de flujo de 100 cc/min y CO2 a 25 cc/min por un periodo de 0.6 horas. La producción de metano continúa incluso en presencia de aire, siempre y cuando el hidrógeno esté presente para mantener ORP del cultivo en niveles productivos. Se tolera hasta 4 % de aire (0.8 % de oxígeno) sin una reducción persistente en la producción de metano. La eficiencia de conversión del hidrógeno de entrada en metano permanece sin afectarse en 22-23 % bajo las condiciones del experimento, hasta que la concentración de aire sube de 8 % a 16 % del total de la mezcla de gas.

Nótese que las mezclas de gas producidas por el cultivo bajo estas condiciones podrían ser explosivas, dado que el oxígeno no es consumido por los organismos y aparece en la corriente efluente de gas. Un sistema de cultivo con potenciostato suministra un procedimiento para mantener el ORP del cultivo durante la exposición al aire, sin introducción de hidrógeno o generación de metano.

Ejemplo 11 - Recuperación de la exposición a monóxido de carbono por Methanococcus maripaludis.

El monóxido de carbono es otro inhibidor conocido de las enzimas involucradas en la absorción de hidrógeno y metanogénesis. El CO es un contaminante potencial de las corrientes de CO2 e hidrógeno, derivado de la gasificación de carbón o recursos de biomasa. Se examinó el efecto CO sobre la formación de metano mediante cultivos metanogénicos. La FIG. 13 muestra la recuperación de la actividad metanogénica de Methanococcus maripaludis después de la exposición a monóxido de carbono. Se preparó un biorreactor a escala de mesa que contenía Methanococcus maripaludis, como se describió en el Ejemplo 2. En este experimento, el pH del cultivo fue mantenido constante preservando el CO2 a 20 % de la mezcla de gas y cambiando sólo la composición del otro 80 % del gas. El ORP del cultivo permanece relativamente constante entre -140 y -150 mV.

Se expuso el cultivo a una mezcla de 8 % de CO y 72 % de hidrógeno a una tasa de flujo de 100 cc/min y CO2 a 25 cc/min por un periodo de 1.7 horas. Luego se restauró el cultivo a un flujo de 80 % de hidrógeno a una tasa de flujo de 100 cc/min y CO2 a 25 cc/min. Mediante retiro del CO y restauración de 50 % de H2, se recuperó completamente la metanogénesis en un periodo de 5 minutos (dentro del tiempo de mezcla de la fase gaseosa en el cultivo). Esta recuperación rápida sugiere que el efecto primario de CO bajo estas condiciones experimentales es como un inhibidor reversible del proceso de metanogénesis.

El cultivo fue luego expuesto a una mezcla de 16 % de CO y 64 % de hidrógeno a una tasa de flujo de 100 cc/min y CO2 a 25 cc/min por un periodo de 1 hora. Esta mayor exposición al CO mostró solamente un 25 % de inhibición de tasas de formación de metano. Esto sugiere que la exposición inicial causó una adaptación en el cultivo, que redujo su sensibilidad a la inhibición por CO. Luego el cultivo fue restablecido a un flujo de 80 % de hidrógeno a una tasa de flujo de 100 cc/min y CO2 a 25 cc/min. La recuperación de la metanogénesis que siguió al retiro de CO fue nuevamente inmediata.

Finalmente, se expuso el cultivo a una mezcla de 40 % de CO y 40 % de hidrógeno a una tasa de flujo de 100 cc/min y CO2 a 25 cc/min por un periodo de 20 minutos. Esta exposición al CO mostró casi tanta inhibición del proceso adaptado como la ocurrida en la inicial exposición a bajo nivel de los organismos no adaptados. El cultivo fue luego restaurado a un flujo de 80 % de hidrógeno a una tasa de flujo de 100 cc/min y CO2 a 25 cc/min. La recuperación desde este nivel de CO fue casi inmediata.

Se ejecutó otro experimento mostrando los efectos de incluso mayor concentración de CO sobre la metanogénesis. Se preparó un biorreactor a escala de mesa que contenía Methanococcus maripaludis y se mantuvo como se explicó anteriormente. La FIG. 14 muestra que cuando al cultivo se suministró una dosificación de una mezcla de 60 % de CO y 20 % de hidrógeno a una tasa de flujo de 100 cc/min y CO2 a 25 cc/min, esto condujo a una pérdida completa de la formación de metano en estas especies. La recuperación desde este nivel de CO tiene una fase inmediata, pero la recuperación total requiere varias horas. Estos experimentos muestran que la metanogénesis lograda por los cultivos metanogénicos es tolerante a niveles de CO que probablemente son encontrados en corrientes industriales de CO2 derivadas de gasificación de carbón o biomasa, pero que niveles mayores pueden ser pobremente tolerados.

También, se entiende que la fraseología y terminología usadas en esta memoria tienen el propósito de descripción y no deberían ser miradas como limitantes. Se entiende que el uso de "que incluye", "que tiene" y "que comprende" y variaciones de ellas en esta memoria, abarca los objetos listados posteriormente y equivalentes del mismo, así como objetos adicionales y equivalentes de los mismos. También se entiende que cualquier valor numérico citado en esta memoria incluye todos los valores desde el menor valor hasta el mayor valor. Por ejemplo, si se establece un intervalo de concentración como 1 % a 50 %, se entiende que valores tales como 2 % a 40 %, 10 % a 30 %, o 1 % a 3 %, etc., están expresamente enumerados en esta especificación. Éstos son sólo ejemplos de lo que se pretende específicamente, y en este documento deben considerarse como declaradas expresamente todas las posibles combinaciones de valores numéricos entre el valor más bajo y el valor más alto enumerados.

Claims (16)

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento para la conversión de dióxido de carbono producido durante un proceso industrial, en metano, que comprende:

El contacto en un biorreactor de un cultivo que comprende archaea metanogénica hidrogenotrófica con gas H2 y un gas de salida de un proceso industrial, que comprende gas CO2 y 0.1 % a 32 % de aire en volumen;

en el que el potencial rédox en el biorreactor es mantenido en -100 mV o menos con el gas H2 ; y

en el que la archaea metanogénica hidrogenotrófica convierte el gas H2 gas y el gas CO2 en metano, en el que el cultivo comprende un microorganismo de la clase Metanococci, clase Metanomicrobia o la clase Metanobacteria.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende además el retiro de gas metano del biorreactor, en el que el gas metano comprende menos de 450 ppm de sulfuro de hidrógeno.

3. El procedimiento de la reivindicación 1 en el que el cultivo es un cultivo puro.

4. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1-3 en el que el cultivo comprende Methanococcus maripaludis.

5. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que el cultivo comprende Methanothermobacter thermautotrophicus.

6. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que el cultivo comprende Methanosarcina barkeri.

7. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el gas industrial de salida comprende por lo menos 4 % de aire en volumen.

8. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el gas industrial de salida comprende por lo menos 8 % de aire en volumen.

9. El procedimiento de la reivindicación 1 en el que dicho procedimiento comprende además:

(a) suministro de medio fresco al cultivo; y

(b) retiro del gas metano del biorreactor, en el que el gas metano comprende menos de 450 ppm de sulfuro de hidrógeno.

10. El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende además la preparación de un cultivo de archaea metanogénica hidrogenotrófica en un segundo recipiente reactor, suministro de medio fresco al biorreactor y a los segundos recipientes de reactor a través de una primera línea de alimentación de medio unida al biorreactor, y una segunda línea de alimentación de medio unida al segundo recipiente reactor, y transferencia mediante una primera línea de alimentación de gas, del gas del recipiente biorreactor al segundo recipiente biorreactor, en el que el cultivo de archaea metanogénica hidrogenotrófica en el segundo reactor convierte gas H2 y gas CO2 para producir metano.

11. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el biorreactor es un biorreactor estratificado.

12. El procedimiento de la reivindicación 11, en el que el biorreactor comprende un impulsor mecánico en la cabeza del biorreactor, impulsor mecánico que mueve un aparato de mezcla dentro del biorreactor, en el que el dióxido de carbono, hidrógeno y nutrientes entran al fondo del biorreactor, y en el que la cantidad de dióxido de carbono disminuye desde el fondo del biorreactor hasta la cabeza del biorreactor.

13. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el biorreactor es un biorreactor en cascada.

14. El procedimiento de la reivindicación 13, en el que el biorreactor comprende un primer compartimiento, un segundo compartimiento, y un tercer compartimiento, en el que el dióxido de carbono, hidrógeno y nutrientes celulares entran al fondo del primer compartimiento, en el que el gas producido en el primer compartimiento es transferido desde la cabeza del primer compartimiento al fondo del segundo compartimiento, en el que el gas producido en el segundo compartimiento es transferido desde la cabeza del segundo compartimiento al fondo del tercer compartimiento.

15. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el gas industrial de salida comprende por lo menos de manera intermitente además monóxido de carbono.

16. El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende la agitación del cultivo.