ES2884451T3 - Reactor de fermentación en estado sólido equipado con material de soporte activo - Google Patents

Reactor de fermentación en estado sólido equipado con material de soporte activo Download PDF

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Abstract

Biorreactor que comprende un sistema de distribución de gas o de gas y líquido, un sistema de recogida de gas o líquido o sólidos y, opcionalmente, un sistema de recogida para una combinación de gas, líquido y sólidos, en el que el biorreactor comprende una fase sólida, una fase líquida y una fase gaseosa; la fase sólida comprende un soporte sólido poroso en el que, como mínimo, el 20 % de los volúmenes de poro tienen un tamaño de poro de 30 μm a 300 μm, lo que da como resultado una succión de líquido de aproximadamente 0,01 a aproximadamente 0,1 bar si los poros de estos tamaños están llenos de líquido, el soporte sólido poroso se inocula con microorganismos deseados, la conductividad capilar insaturada del material sólido empaquetado es, como mínimo, de 0,1 cm/h, dicho soporte sólido tiene una capacidad de intercambio catiónico, como mínimo, de 0,1 mmol/g, una capacidad de intercambio aniónico, como mínimo, de 0,01 mmol/g y un área superficial específica, como mínimo, de 5 m2/g, el volumen de la fase gaseosa es del 20 % al 60 % del volumen del biorreactor, la fase líquida es, como mínimo, el 20 % del volumen del reactor y el material de soporte sólido es un material no a base de sílice.

Description

DESCRIPCIÓN
Reactor de fermentación en estado sólido equipado con material de soporte activo
SECTOR DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un biorreactor de fermentación en estado sólido activo para producir gases, uno o más líquidos o sólidos a partir de materiales de partida gaseosos o gaseosos y líquidos y a un proceso de fermentación que utiliza dicho reactor.
ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR
La fermentación en estado sólido ha surgido como una tecnología potencial para la producción de productos microbianos tales como piensos, combustibles, alimentos, productos químicos industriales y productos farmacéuticos. Los procesos de fermentación en estado sólido proporcionan varias ventajas respecto a los procesos de fermentación líquida. La fermentación en estado sólido se produce en reactores en estado sólido que pueden proporcionar de forma natural una gran fase gaseosa y, al mismo tiempo, formar un sistema continuo de poros llenos de líquido. Además, se puede conseguir un crecimiento microbiano notablemente denso sobre las partículas sólidas húmedas en un área superficial suficiente, lo que da como resultado una alta eficiencia de fermentación. El enfoque de estado sólido es particularmente adecuado para procesos de fermentación y biorreactores a gran escala en los casos en que el objetivo es construir biorreactores de bajo coste con bajos costes de mantenimiento debido a los bajos precios unitarios del producto final.
También existen algunas desventajas asociadas con la fermentación en estado sólido. Por ejemplo, debido a las condiciones ambientales físicas y químicas variables, el crecimiento microbiano y su eficacia pueden distribuirse de manera desigual sobre las partículas de soporte sólido en el reactor. Dado que los biorreactores en estado sólido no se pueden homogeneizar mediante agitación, la disponibilidad de nutrientes para los microorganismos puede ser desigual y puede resultar difícil proporcionar control del pH. Además, la aireación o la transferencia de sustancias gaseosas entre diferentes partes del biorreactor pueden ser limitadas. Esto puede deberse, por ejemplo, a un bloqueo del espacio entre partículas por agua de condensación o agua producida en la biorreacción. Por otro lado, en casos en que la biorreacción no produce agua, las partículas sólidas pueden desecarse debido a la gravedad o los flujos de gas, reduciendo la conductividad capilar de los productos líquidos en el reactor y disminuyendo simultáneamente la capacidad de fermentación de los microorganismos.
Los diseños de fermentadores en estado sólido existentes no son particularmente avanzados. En particular, la fermentación en estado sólido carece de mecanismos sofisticados para supervisar varios parámetros de proceso en un biorreactor tales como pH, temperatura, aireación, transferencia de oxígeno y humedad, etc. La Patente WO 2013167806 da a conocer un biorreactor en estado sólido con tres fases y soporte poroso.
Un problema importante en los biorreactores en estado sólido es cómo mantener un volumen de gas alto y una conductividad capilar del líquido al mismo tiempo. Se requiere un gran volumen/espacio de gas para que el tiempo de residencia de los gases sea lo suficientemente largo para reaccionar en un reactor. Es necesaria una gran área de interfaz entre el gas y el líquido para obtener una alta eficiencia de transferencia de gas a líquido.
Una vez que aumenta el espacio/volumen de gas, la interfaz entre un líquido y un gas aumenta debido al hecho de que la interfaz siempre entrará en poros más pequeños. Sin embargo, para mantener un contenido de nutrientes y un valor de pH adecuados para los microbios, se necesita una circulación de líquido continua, cuando el material de relleno del reactor es pasivo. El material de relleno pasivo no es capaz de controlar el contenido de nutrientes y el valor de pH del líquido en el reactor.
Un problema de los biorreactores de fermentación en estado sólido es que cuanto mayor es el espacio de gas del reactor, menor es la conductividad capilar del líquido. Si el material de partida o el producto es líquido, la conductividad capilar baja provoca el llenado de los poros con líquido y disminuye la transferencia de gas a través de la interfaz gas-líquido.
DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN
Un objetivo de la presente invención es dar a conocer un aparato para fermentación en estado sólido y un procedimiento para fermentación en estado sólido para resolver los problemas anteriores, especialmente cuando la biorreacción implica materiales de partida gaseosos y productos de reacción líquidos, gaseosos o sólidos o su mezcla. Los objetivos de la presente invención se consiguen mediante una disposición y un procedimiento que se caracterizan por lo que se indica en las reivindicaciones independientes.
La presente invención se refiere a un biorreactor que comprende un sistema de distribución de gas o de gas y líquido y un sistema de recogida de gas, líquido o sólidos, en el que el biorreactor comprende una fase sólida, una fase líquida y una fase gaseosa, la fase sólida comprende un soporte sólido poroso en el que, como mínimo, el 20 % de los volúmenes de poro tienen un tamaño de 30 micrómetros a 300 micrómetros, lo que da como resultado una succión de líquido de aproximadamente 0,01 a aproximadamente 0,1 bares si estos poros están llenos de líquido; el soporte sólido poroso se inocula con microorganismos deseados; el volumen de la fase gaseosa es del 20 % al 60 % del volumen del biorreactor y la fase líquida es, como mínimo, el 20 % del volumen del reactor. La conductividad capilar insaturada del material sólido de relleno/empaquetamiento del biorreactor es, como mínimo, de 0,1 cm/h y dicho soporte sólido tiene una capacidad de intercambio catiónico, como mínimo, de 0,1 mmol/g, una capacidad de intercambio aniónico, como mínimo, de 0,01 mmol/g y un área superficial específica, como mínimo, de 5 m2/g.
La presente invención se refiere también a un proceso para generar uno o más productos líquidos por fermentación en estado sólido, que comprende las etapas de a) proporcionar un biorreactor, según la presente invención, b) alimentar gas o gas y líquidos al reactor, c) bioconvertir de forma anaeróbica o aeróbica dichos uno o más gases o gases y líquidos en productos gaseosos, líquidos o sólidos, y d) recoger dichos productos del biorreactor.
Las realizaciones específicas de la presente invención se establecen en las reivindicaciones dependientes. Otros aspectos, detalles, realizaciones y ventajas de la presente invención resultarán evidentes a partir de los siguientes dibujos, descripción detallada y ejemplos.
La presente invención evita los problemas del control del contenido de nutrientes y el control del valor del pH utilizando materiales de relleno activos en lugar de pasivos. Esto permite el vaciado parcial de líquido de los poros del material de relleno, lo que permite una gran área entre el gas y el líquido. La distribución del tamaño de poro utilizado del material de relleno determina la conductividad capilar del material insaturado.
La presente invención da a conocer un biorreactor de fermentación en estado sólido que permite una gran interfaz gas-líquido y en el que el material de relleno tiene una buena conductividad capilar a pesar del estado insaturado. DESCRIPCIÓN BREVE DE LOS DIBUJOS
A continuación, la presente invención se describirá con mayor detalle por medio de realizaciones preferentes con referencia a los dibujos adjuntos, en los que
La figura 1 muestra una representación esquemática de un biorreactor de ejemplo, en el que la succión y el estado insaturado se consiguen por gravitación. Cuando la conductividad capilar insaturada es lo suficientemente alta, el reactor no está saturado con agua (líquido), si, por ejemplo, la reacción produce agua (líquido).
La figura 2 muestra una representación esquemática de un biorreactor de ejemplo, en el que la succión y el estado insaturado se consiguen por gravitación y la influencia de la gravitación se intensifica por la succión provocada por una placa porosa. Para tener éxito, la intensificación requiere una buena conductividad capilar en un estado insaturado.
La figura 3 muestra una representación esquemática de un biorreactor de ejemplo, en el que la succión y el estado insaturado se consiguen por gravitación y la influencia de la gravitación se intensifica por la succión provocada por una placa porosa y sobrepresión.
La figura 4 ilustra un producto líquido que sale del biorreactor en estado sólido por gravitación. La figura muestra los componentes del gas (CH4, CO2) en el gas de salida (% en volumen), el suministro de hidrógeno, la tasa de conversión de hidrógeno (%) y la potencia (productividad) durante un período de estudio de 45 horas (realizando metanización biocatalítica de dióxido de carbono e hidrógeno).
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un biorreactor y un proceso de fermentación en estado sólido (SSF, solid state fermentation), en el que uno o más gases o uno o más gases y uno o más líquidos se convierten en uno o más gases o uno o más líquidos o uno o más sólidos por microorganismos deseados cultivados sobre un soporte sólido poroso. El biorreactor, según la presente invención, comprende tres fases principales; una fase sólida que comprende el soporte sólido poroso, una fase líquida que comprende líquido y una fase gaseosa.
Para conseguir un tiempo de reacción lo suficientemente largo para los materiales de partida y una interfaz líquidosólido lo suficientemente grande, es particularmente importante que el soporte sólido proporcione una fase gaseosa distribuida uniformemente por todo el biorreactor, cuyo volumen es del 20 % al 60 % del volumen del biorreactor. Igualmente importante es el volumen de poro capilar continuo lleno de fluido en el material, a pesar del espacio de gas elevado. La fase líquida es, como mínimo, el 20 % del volumen del reactor. Cuanto mayor sea la fase gaseosa, mayor será el tiempo de reacción y, por tanto, más eficiente será el biorreactor.
Dado que el requisito es un estado insaturado y, al mismo tiempo, un gran espacio de gas, el reactor está diseñado de modo que haya poros de tamaño pequeño y mediano saturados de agua en los que los microbios puedan unirse y encajar.
En el biorreactor de la presente invención se consigue un estado gas-líquido adecuado por gravitación o provocando la succión en fase líquida o por una combinación de ambos mediante una placa porosa o por sobrepresión y con una placa porosa.
La fase sólida comprende un soporte sólido poroso para obtener unas condiciones de fermentación suficientes. Los poros internos de las partículas de soporte sólido están, preferentemente, dentro del intervalo de escala de nanómetros y micrómetros. El líquido se une a los poros del soporte sólido mediante fuerzas capilares que resultan de la adsorción y la tensión superficial. La intensidad de la unión puede expresarse mediante unidades de presión, tales como pascal o bar. Un tamaño de poro dado corresponde a una cierta intensidad de unión. Suponiendo que los poros son tubos cilíndricos, el radio de los poros más grandes llenos de líquido se puede calcular a partir de la siguiente ecuación (1):
r = 2y/AP
en la que r es el radio del poro (m);
Y es la tensión superficial del líquido, N/m;
AP es la diferencia de presión entre la fase gaseosa y líquida en la superficie gas-líquido, N/m2
El soporte sólido adecuado para su utilización en la presente invención debe ser tal que, como mínimo, el 20 % de los volúmenes de poro tengan diámetros de poro que dan como resultado una succión de líquido de aproximadamente 0,01 a aproximadamente 0,1 bar si los poros entre estos tamaños están llenos de líquido. Esto es equivalente a un tamaño de poro de aproximadamente 300 p.m a aproximadamente 30 p.m. Es preferente que la interfaz líquido-gas en el biorreactor sea lo más grande posible. Cuanto más pequeños son los poros que contienen el área interfacial líquido-gas, mayor es la suma del área interfacial. Esto proporciona condiciones preferentes en las que la conductividad capilar es buena (mostradas en la tabla 1).
En algunas realizaciones, el soporte sólido comprende o está en forma de partículas que tienen un diámetro de 0,1 mm a 5 mm, como mínimo, para el 50 % de las partículas. En el presente biorreactor y el proceso relacionado se puede utilizar cualquier tamaño de partícula dentro de este intervalo o cualquier combinación de los mismos. Este tamaño de partícula proporciona, en condiciones insaturadas, una alta área de interfaz líquido-gas y una buena conductividad capilar de líquidos al mismo tiempo.
Los materiales de partícula adecuados incluyen, pero sin limitación a los mismos, mezclas de materiales que comprenden vermiculita, vermiculitas modificadas, materiales similares a vermiculita o vermiculitas sintéticas; resinas de intercambio catiónico sintéticas; diversos tipos de turba; otros materiales orgánicos; y mezclas de los mismos siempre que tengan o proporcionen las características físicas y químicas requeridas descritas en el presente documento.
En una realización, el soporte sólido comprende una mezcla de vermiculita (40-60 % en volumen, 2-4 mm), perlita (20 % en volumen, 1-2 mm) y resina de intercambio catiónico sintética (20-40 % en volumen, 0,7 mm).
En algunas otras realizaciones, el soporte sólido comprende o está en forma de una estructura esponjosa que tiene una distribución de tamaño de poro dentro del intervalo de aproximadamente 0,1 mm a aproximadamente 5 mm, como mínimo, para el 20 % de sus volúmenes de poro. Los ejemplos no limitantes de materiales esponjosos adecuados incluyen materiales esponjosos sintéticos, tales como polímeros de plástico expandido, así como esponjas naturales.
Aún en algunas otras realizaciones, el soporte sólido se proporciona como una estructura filamentosa. En tales casos, los espacios interfilamentosos pueden considerarse como los poros del soporte sólido filamentoso, y su distribución de diámetro debe estar dentro del intervalo de aproximadamente 0,1 mm a aproximadamente 5 mm, como mínimo, para el 20 % de los espacios interfilamentosos. Un ejemplo no limitante de un material filamentoso adecuado incluye lana de acero. Dado que la lana de acero no tiene propiedades de intercambio catiónico, puede proporcionarse en una mezcla con partículas que tengan suficientes propiedades de intercambio catiónico. Como alternativa o de forma adicional, la lana de acero se puede revestir o aplicar con un material orgánico, tal como poliacrilamida, para conseguir suficientes propiedades de intercambio catiónico.
El soporte sólido poroso también puede ser cualquier mezcla de partículas, materiales esponjosos y filamentos siempre que cumpla los requisitos físicos establecidos en el presente documento.
El soporte sólido se inocula con microorganismos. Los microorganismos preferentes incluyen, pero sin limitación a los mismos, organismos acetógenos que se sabe que sintetizan productos finales metabólicos que pueden utilizarse como combustibles líquidos para el transporte. Los organismos acetógenos utilizados típicamente en la fermentación comercial de gas de síntesis son, por ejemplo, Moorella thermoacetica, Acetobacterium woodii, Clostridium aceticum, Clostridium autoethanogenum, Clostridium Ijungdahlii, Clostridium ragsdalei y Alkalibaculum bacchi. Los productos de fermentación de estos organismos comprenden acetato, etanol, butirato, butanol y 2,3-butanodiol. El etanol y el butanol se utilizan como combustibles líquidos para el transporte, mientras que el acetato y el 2,3-butanodiol son de interés en la industria química. Todos los acetógenos producen acetato, los organismos típicamente utilizados para la producción específica de acetato son M. thermoacetica, A. woodii y C. aceticum. Los que se utilizan principalmente para la producción de etanol incluyen C. ijungdahiii, C. autoethanogenum, C. ragsdalei y A. bacchi. El butanol puede ser producido por Clostridium carboxidivorans y Butyribacterium methylotrophicum, mientras que se sabe que Clostridium drakei y Clostridium scatologenes producen butirato. Además, C. ljungdahlii, C. autoethanogenum y C. ragsdalei pueden producir 2,3-butanodiol. Pueden emplearse bacterias oxidantes de metano y amoniaco para oxidar parcialmente el metano a metanol. Los microorganismos preferentes incluyen, pero sin limitación a los mismos, bacterias oxidantes de amoniaco (AMO, ammonia-oxidizing bacteria) tales como Nitrosomonas europaea y Nitrosococcus oceani. También se pueden utilizar cultivos de enriquecimiento nitrificantes mixtos para la conversión de metano en metanol.
Los microorganismos pueden utilizarse en cualquier mezcla o combinación deseada, o como cultivo puro de una sola especie. También se pueden utilizar especies modificadas genéticamente. Los microorganismos se seleccionan según el producto final deseado. Como ejemplo específico, se pueden utilizar microorganismos en la producción de proteínas unicelulares (SCP, single-cell protein). En tal caso, el metanótrofo de origen natural Methylococcus capsulatus puede utilizarse en la producción de proteína bacteriana a partir de metano.
Los microorganismos pueden obtenerse de colecciones de cultivos o aislarse, por ejemplo, de pantanos, tales como turberas o turberas esfágneas, u otros humedales. La elección del organismo en el presente biorreactor también puede depender de diversos factores del proceso de fermentación que incluyen, pero sin limitación a los mismos, los requisitos de nutrientes, temperatura y pH de un organismo dado, como los entenderá fácilmente un experto en la materia.
La porosidad del soporte sólido no solo afecta a las condiciones de humedad en el biorreactor, sino que también proporciona una gran superficie de unión para los microorganismos y los protege de la descarga. Además, la porosidad aumenta el área superficial específica del soporte sólido. En algunas realizaciones, el área superficial específica del soporte sólido es, como mínimo, de 5 m2/g.
Además de un área superficial específica elevada, el soporte sólido debe tener una capacidad de intercambio catiónico elevada, típicamente superior a 0,1 mmol/g. Basándose en la experiencia, con la estructura de reactor presentada en el ejemplo 2, la capacidad de intercambio catiónico de la estructura de reactor presentada proporciona nutrientes para el microorganismo, como mínimo, durante un período de un par de semanas sin adiciones externas.
Dado que la mayoría de las sustancias nutritivas son catiónicas, las propiedades de intercambio catiónico del soporte sólido son más importantes que las propiedades de intercambio aniónico. Sin embargo, es ventajoso que el soporte sólido también posea propiedades de intercambio aniónico, típicamente superiores a 0,01 mmol/g. Este valor proporciona suficiente capacidad de unión de aniones y garantiza que el valor osmótico en una solución no aumente a un nivel demasiado alto.
En algunas realizaciones, la capacidad de intercambio catiónico y la capacidad de intercambio aniónico pueden incluso ser casi iguales entre sí. La capacidad de intercambio iónico junto con el área específica alta permite que el material de relleno almacene los nutrientes disponibles para los microbios. Además, la gran área superficial específica junto con la alta capacidad de intercambio iónico da como resultado la formación de una biopelícula. Esto, a su vez, aumenta la eficiencia del proceso de fermentación debido al alto contenido de microorganismos.
Las propiedades mencionadas anteriormente del soporte sólido proporcionan suficientes propiedades tamponantes en el proceso de fermentación. Cuando el soporte sólido, debido a su capacidad de intercambio iónico, es capaz de intercambiar iones hidrógeno y/o hidroxilo con una fase líquida, no debería ser necesario un control adicional del pH. La capacidad de intercambio iónico, la elevada área superficial específica y la distribución apropiada del tamaño de los poros hacen que el material de relleno del reactor en estado sólido sea activo. La circulación de líquido continua para mantener las concentraciones de nutrientes y el valor de pH apropiados no es necesaria, lo que hace posible el procesamiento microbiano en condiciones insaturadas de material de relleno.
Los soportes sólidos no adecuados para su utilización en la presente invención incluyen materiales que son inactivos en términos de su capacidad de intercambio iónico. Entre los ejemplos más específicos de tales materiales se incluyen materiales a base de sílice, materiales a base de madera, la mayoría de los plásticos (a menos que estén acoplados con grupos activos) y la mayoría de los materiales pétreos, tales como feldespato y cuarzo. Cabe destacar que, aunque la vermiculita existe en formas que tienen una capacidad de intercambio catiónico suficiente, no es un material de soporte sólido adecuado para ser utilizado solo en el presente biorreactor. Esto se debe a que no es posible conseguir un volumen de fase gaseosa suficiente exclusivamente con vermiculita. La compactación espontánea a través del efecto de humectación y secado reduciría el volumen de la fase gaseosa por debajo del 20 % del volumen del biorreactor, incluso si en algunos casos específicos podría ser posible conseguir un volumen de fase gaseosa inicial ligeramente superior al 20 % del volumen del biorreactor. Otro resultado de la compactación es la posible reducción de la conductividad capilar. Por tanto, si se va a emplear vermiculita en el presente biorreactor, debe proporcionarse en una mezcla con otros materiales no planos, tales como perlita, para cumplir con el requisito de que el volumen de la fase gaseosa debe ser del 20 % al 60 % del volumen del biorreactor y con el fin de aumentar la conductividad capilar.
La conductividad capilar y el volumen suficiente de gas entre soportes sólidos definen las características de flujo de gas y líquido a través del soporte sólido. En reacciones que generan productos líquidos o el líquido es un material de partida, la conductividad capilar es muy importante. Se requiere una conductividad capilar adecuada para garantizar que la transferencia de gas y líquido se pueda mantener en los niveles deseados durante el proceso de fermentación. Un contenido de humedad demasiado alto disminuye el volumen de gas en el reactor, reduciendo de este modo el tiempo de reacción y el área de la interfaz gas-líquido.
Se necesita conductividad capilar en el biorreactor para evitar que los poros más grandes se llenen con el líquido y es necesaria para que el producto líquido fluya fuera del reactor en los poros capilares en condiciones insaturadas. En la presente invención, la conductividad capilar insaturada adecuada es mayor que 0,1 cm/h, en la que la unidad de tiempo es la hora (h), la unidad de longitud es el centímetro (cm), la unidad de volumen es el cm3, la unidad de velocidad es cm/h y la unidad de presión se define como la altura de la columna de líquido en cm.
Se necesita/demanda una conductividad capilar superior a 0,1 cm/h porque, como se muestra en la tabla 1, si la biorreacción produce más agua que la conductividad de agua del soporte sólido, el fondo del biorreactor se encharca/se satura con agua y conduce a una eficiencia (productividad/potencia) del reactor deficiente.
La conductividad capilar se puede calcular a partir de la siguiente ecuación (2):
q = KH/L
q = caudal (cm/h)
K = coeficiente de conductividad hidráulica (cm/h)
H = la diferencia de potencial expresada como la altura de la columna de líquido (cm)
L = la longitud de la trayectoria de flujo (cm)
El biorreactor de la presente invención puede estar hecho, por ejemplo, de vidrio, acero inoxidable o puede ser, por ejemplo, un tanque o vasija de plástico. El material del biorreactor no debe ser tóxico para el utilizado en el proceso. El tamaño y la forma del biorreactor pueden variar dentro de un intervalo conocido por un experto en la materia dependiendo de diferentes parámetros, tales como la elección del material de soporte sólido. Preferentemente, el tamaño es adecuado para producción a escala industrial. El biorreactor debe ser de bajo coste, fácil de hacer funcionar y fiable.
En la figura 1 se ilustra un biorreactor de ejemplo, según la presente invención. El extremo superior del recipiente (1) del biorreactor está provisto de un sistema de distribución de gas (2) y de un controlador de flujo másico (MFC, mass flow controller) (6) mientras que el extremo inferior del recipiente (1) está provisto de un posible sistema de recogida de gas, líquido y/o sólido (4). El recipiente del reactor se carga con un material de soporte sólido poroso (5) descrito en el presente documento. El recipiente del biorreactor está rodeado por una circulación de agua de calefacción (3). Otro ejemplo de un biorreactor se muestra en la figura 2. En este biorreactor, el suministro de gas se ajusta con controladores de flujo másico y reguladores de presión. El extremo superior del recipiente (1) del biorreactor está provisto de un sistema de distribución de gas (2) y de un controlador de flujo másico (MFC) (8) mientras que el extremo inferior del recipiente (1) está provisto de un posible sistema de recogida de gas (4). Se coloca una placa de cerámica porosa en el fondo del recipiente (3) del reactor encima del sistema de recogida de líquido y un sistema de succión (5). El recipiente del reactor se carga con un material de soporte sólido poroso (6) descrito en el presente documento. El recipiente del biorreactor está rodeado por una circulación de agua de calefacción (7).
En la figura 3 se muestra otro ejemplo más de un biorreactor. En este biorreactor, el suministro de gas se ajusta con controladores de flujo másico y reguladores de presión. El extremo superior del recipiente (1) del biorreactor está provisto de un sistema de distribución de gas (2) y de un controlador de flujo másico (MFC, mass flow controller) (8) mientras que el extremo inferior del recipiente (1) está provisto de un posible sistema de recogida de gas (4) con un regulador de presión de gas (9). Se coloca una placa de cerámica porosa en el fondo del recipiente (3) del reactor encima del sistema de recogida de líquido (5). El recipiente del reactor se carga con un material de soporte sólido poroso (6) descrito en el presente documento. El recipiente del biorreactor está rodeado por una circulación de agua de calefacción (7).
Aunque el material de relleno activo no requiere ajustar los parámetros del biorreactor, el biorreactor puede estar provisto de diversos sensores para supervisar parámetros deseados, tales como la temperatura, el pH y la humedad en el reactor. Dichos sensores están fácilmente disponibles en la técnica. El biorreactor también puede estar provisto de un analizador para supervisar el funcionamiento del biorreactor y el rendimiento de líquido.
El control de temperatura del biorreactor se puede obtener, por ejemplo, conectando un sistema de circulación de agua cerrado al biorreactor. Dicho sistema puede proporcionar calentamiento o enfriamiento del proceso de fermentación dependiendo de las necesidades de un microorganismo dado. El calor se transfiere entre el sistema de circulación de agua y el biorreactor por conductividad. Otros medios y procedimientos para ajustar la temperatura del presente proceso son bien conocidos en la técnica.
La presente invención se refiere, además, a un proceso para productos líquidos a partir de gases o de gases y líquidos por fermentación en estado sólido. El proceso comprende las etapas de
a) proporcionar un biorreactor, según la presente invención;
b) alimentar uno o más gases o uno o más gases y uno o más líquidos al reactor,
c) bioconvertir de forma anaeróbica o aeróbica los materiales de partida en productos gaseosos, líquidos y/o sólidos, y
d) recoger los productos del biorreactor.
La fuente de gas o líquido deseada utilizada como material de partida en el proceso de fermentación de la presente invención puede capturarse a partir de cualquier fuente adecuada que incluye, pero sin limitación a la misma, gas de síntesis producido/generado a partir de la gasificación de materias primas carbonosas.
El proceso de fermentación se lleva a cabo en condiciones convencionales utilizadas para cultivar microorganismos deseados, es decir, utilizando condiciones aeróbicas o anaeróbicas.
Los microorganismos requieren nutrientes para su crecimiento. Estas sustancias se pueden unir a un soporte sólido que tiene capacidad de intercambio catiónico y capacidad de intercambio aniónico, tal como se describió anteriormente, lo que da como resultado un proceso autosostenido a este respecto. Puede administrarse nitrógeno, por ejemplo, en forma de urea o carbonato de amonio. La concentración específica de estos elementos depende del microorganismo que se esté utilizando.
Al unir los nutrientes a los intercambiadores de cationes y aniones, pueden almacenarse para una utilización posterior sin que la concentración de iones (valor de ósmosis) aumente demasiado en una solución líquida. De esta manera también se consigue un sistema autosostenido con respecto al pH.
Por tanto, no se necesitan soluciones tampón para mantener el pH a un valor casi constante.
Además, la autosostenibilidad se refiere también al estado gaseoso y líquido del sistema. Con un tamaño de poro adecuado de las partículas, se consiguen los volúmenes de gas y líquido deseados y también la conductividad capilar en la estructura del reactor.
Se pueden suministrar nutrientes adicionales durante el proceso de fermentación.
Un biorreactor funcional y un proceso de fermentación en estado sólido, según la presente invención, pueden establecerse en un período corto de tiempo, tal como un par de días.
EJEMPLO 1
Las condiciones preferentes para un soporte sólido poroso se probaron con una mezcla que comprendía vermiculita, perlita y resinas de intercambio catiónico.
Tabla 1. Propiedades físicas del soporte sólido a partir de una mezcla de vermiculita (40 % en volumen, 2-4 mm), resinas de intercambio catiónico sintéticas 40 % en volumen 07 mm erlita 20 % en volumen 1-2 mm.
Figure imgf000008_0001
La tabla 1 muestra que los poros más grandes no producen una gran interfaz líquido-gas. La reducción excesiva del tamaño de las partículas produce rápidamente una baja conductividad de agua. El tamaño de los poros entre las partículas está entre V y / del tamaño de las partículas.
Si el biorreactor produce metano a partir de hidrógeno y dióxido de carbono a una eficiencia (potencia) de 10 W/l según la ecuación de Sabatier CO2 + 4H2 -> CH4 + 2H2O, se produce agua a una velocidad de 1,35 g/h/l. Esto significa que cerca del fondo de una estructura de biorreactor de un metro de altura, el flujo de agua hacia abajo es de 0,135 cm/h.
Los valores de conductividad de agua en la tabla 1 indican que la succión no puede aumentar cerca del fondo del biorreactor el valor de 0,03 bar. Esto da como resultado una baja eficiencia (potencia) del reactor cerca del fondo del reactor (el tiempo de residencia no es máximo, la interfaz líquido-gas no es máxima) cerca del fondo de la base. Este problema empeorará con el aumento de la eficiencia (potencia) del reactor o con el aumento de la altura del reactor.
EJEMPLO 2.
Este ejemplo muestra un producto líquido que sale del reactor de fermentación en estado sólido por gravitación. El biorreactor se construye como se ilustra en la figura 1 a partir de una tubería de alcantarillado de polipropileno (diámetro interno de 75 mm, altura de 500 mm, volumen de trabajo de 2 l). Un tubo de entrada de gas de nailon se instala en la parte superior de la tubería. El suministro de gas se ajusta con controladores de flujo másico. El biorreactor está provisto de un tubo de salida instalado en la parte inferior de la tubería para la recogida del producto final de gas y líquido.
La parte superior de la tubería de alcantarillado del biorreactor está llena de un soporte sólido. Antes del llenado, se produce un soporte sólido mezclando 6 l de vermiculita de 2-4 mm con 2 l de perlita de 2-5 mm y 2 l de resinas de intercambio catiónico. Además, la fuente de N y P, complementada con otros minerales, se añade a esta mezcla para que sirva como fuente de nutrientes y oligoelementos para la biorreacción. El biorreactor se inocula con microorganismos, bacterias oxidantes de amoniaco (AMO), tales como Nitrosomonas europaea y Nitrosococcus oceani. La temperatura del biorreactor se ajusta mediante una camisa de agua al nivel deseado por el microorganismo o los microorganismos utilizados. La recirculación del medio de cultivo microbiano es posible con el líquido de salida del tanque colector del biorreactor.
La retirada del producto final se consigue eficazmente como resultado de la buena conductividad capilar del reactor para una mezcla de metanol y agua. En el producto final, el metanol se disuelve en agua y la buena conductividad capilar de agua del reactor contribuye a la retirada del producto del reactor. La buena conductividad capilar de agua del reactor significa que la conductividad capilar también es buena para una mezcla de agua y metanol. La retirada eficiente del producto de un biorreactor es importante y probablemente intensificará la producción, dado que se sabe que la oxidación del metano a metanol es inhibida por el propio producto (CH3OH).
EJEMPLO 3.
Este ejemplo muestra un producto sólido (biomasa celular) que sale del reactor de fermentación en estado sólido por gravitación. Específicamente, en este ejemplo, la proteína microbiana se produce a partir de metano utilizando conversión biológica en un reactor de fermentación en estado sólido.
El biorreactor se construye como se ilustra en la figura 1 a partir de una tubería de alcantarillado de polipropileno (diámetro interno de 75 mm, altura de 500 mm, volumen de trabajo de 2 l). Un tubo de entrada de gas de nailon se instala en la parte superior de la tubería. La mezcla de suministro de gas de metano y oxígeno se ajusta con controladores de flujo másico. El biorreactor está provisto de un tubo de salida instalado en la parte inferior de la tubería para la recogida del producto final de gas, líquido y sólido (biomasa de proteínas unicelulares).
La parte superior de la tubería de alcantarillado del biorreactor está llena de un soporte sólido. Antes del llenado, se produce un soporte sólido mezclando 6 l de vermiculita de 2-4 mm con 2 l de perlita de 2-5 mm y 2 l de resinas de intercambio catiónico. Además, la fuente de N y P, complementada con otros minerales, se añade a esta mezcla para que sirva como fuente de nutrientes y oligoelementos para la biorreacción. El biorreactor se inocula con metanótrofos, tales como Methylococcus capsulatus. La temperatura del biorreactor se ajusta mediante una camisa de agua al nivel deseado por el microorganismo o los microorganismos utilizados. La recirculación del medio de cultivo microbiano es posible con el líquido de salida del tanque colector del biorreactor.
El funcionamiento óptimo del biorreactor requiere la retirada de biomasa microbiana del reactor. En un área de succión capilar eficaz, el tamaño de los poros capilares es tal que los microbios se adaptan bien para moverse con el agua fuera del reactor y se eliminarán con agua del reactor.

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Biorreactor que comprende un sistema de distribución de gas o de gas y líquido, un sistema de recogida de gas o líquido o sólidos y, opcionalmente, un sistema de recogida para una combinación de gas, líquido y sólidos, en el que el biorreactor comprende una fase sólida, una fase líquida y una fase gaseosa; la fase sólida comprende un soporte sólido poroso en el que, como mínimo, el 20 % de los volúmenes de poro tienen un tamaño de poro de 30 pm a 300 pm, lo que da como resultado una succión de líquido de aproximadamente 0,01 a aproximadamente 0,1 bar si los poros de estos tamaños están llenos de líquido, el soporte sólido poroso se inocula con microorganismos deseados, la conductividad capilar insaturada del material sólido empaquetado es, como mínimo, de 0,1 cm/h, dicho soporte sólido tiene una capacidad de intercambio catiónico, como mínimo, de 0,1 mmol/g, una capacidad de intercambio aniónico, como mínimo, de 0,01 mmol/g y un área superficial específica, como mínimo, de 5 m2/g, el volumen de la fase gaseosa es del 20 % al 60 % del volumen del biorreactor, la fase líquida es, como mínimo, el 20 % del volumen del reactor y el material de soporte sólido es un material no a base de sílice.
2. Biorreactor, según la reivindicación 1, en el que dicho soporte sólido poroso comprende
(i) partículas que tienen un diámetro de 0,1 mm a 5 mm, como mínimo, para el 50 % de las partículas;
(ii) un material esponjoso que tiene un tamaño de poro de 0,1 mm a 5 mm, como mínimo, para el 20 % de sus poros; o
(iii) un material filamentoso, en el que el diámetro de los espacios interfilamentosos es de 0,1 mm a 5 mm, como mínimo, para el 20 % de sus espacios interfilamentosos; o una mezcla de los mismos.
3. Biorreactor, según la reivindicación 2, en el que dichas partículas de soporte sólido se seleccionan de entre el grupo que consiste en mezclas de materiales que comprenden vermiculita, mezclas de materiales que comprenden vermiculita modificada, mezclas de materiales que comprenden material similar a vermiculita, mezclas de materiales que comprenden vermiculitas sintéticas, resinas de intercambio catiónico sintéticas, diversos tipos de turba y mezclas de los mismos.
4. Biorreactor, según la reivindicación 2, en el que dicho material esponjoso se selecciona de entre el grupo que consiste en materiales esponjosos sintéticos y esponjas naturales.
5. Biorreactor, según la reivindicación 2, en el que dicho material filamentoso es lana de acero revestida o no revestida.
6. Un proceso que genera productos gaseosos, líquidos o sólidos a partir de gases o de gases y líquidos por fermentación en estado sólido que comprende las etapas de
a) proporcionar un biorreactor, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5,
b) alimentar uno o más gases o gases y líquidos al reactor,
c) bioconvertir de forma anaeróbica o aeróbica dichos uno o más gases o gases y líquidos en productos gaseosos, líquidos o sólidos, y
d) recoger el producto del biorreactor.
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