ES2904890T3

ES2904890T3 - Métodos y sistemas para la síntesis de amoniaco

Info

Publication number: ES2904890T3
Application number: ES17824683T
Authority: ES
Inventors: Brendan Colon; Chong Liu; Daniel Nocera; Pamela Silver
Original assignee: Harvard College
Current assignee: Harvard College
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2022-04-06
Anticipated expiration: 2037-06-14
Also published as: US11440808B2; US20230002239A1; CA3033167A1; EP3481770B1; CN109790041A; JP6972038B2; CN109790041B; EP3481770A1; EP3481770A4; JP2019527180A; US20190202707A1; BR112019000137A2; WO2018009315A1

Abstract

Método para producir amoniaco, comprendiendo el método: disolver hidrógeno en una disolución; disolver dióxido de carbono en la disolución; disolver nitrógeno en la disolución; colocar un inhibidor de glutamina sintetasa en la disolución; colocar bacterias diazótrofas autótrofas en la disolución, y metabolizar hidrógeno, dióxido de carbono y nitrógeno con las bacterias diazótrofas autótrofas para producir el amoniaco.

Description

DESCRIPCIÓN

Métodos y sistemas para la síntesis de amoniaco

Derechos de licencia gubernamental

Esta invención se realizó con apoyo gubernamental bajo la subvención N00014-11-1-0725 otorgada por la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinara de la Oficina de Investigación Naval y la subvención FA9550-09-1-0689 otorgada por la Oficina de Investigación Científica de las Fuerzas Aéreas. El gobierno tiene determinados derechos en la invención.

Campo

Las realizaciones divulgadas se refieren a la síntesis de amoniaco.

Antecedentes

Debido a su uso y a la agricultura a gran escala, la reducción de N²para dar NH³es esencial en el mantenimiento del ciclo geoquímico global del nitrógeno y en la sostenibilidad de la población humana. El método más común para producir cantidades de NH³a escala industrial es el procedimiento industrial de Haber-Bosch. El procedimiento de Haber-Bosch es eficiente y puede aumentarse de escala. Sin embargo, este procedimiento consume grandes volúmenes de gas natural como materia prima, funciona a temperatura y presión altas y se basa en una producción centralizada y, posteriormente, en el transporte para la distribución de NH³. En J. Microbiol. Biotechnol. (2010), 20 (8), págs. 1251,1258, D. Shokri y G. Emtiazi describen generalmente el uso de cepas que excretan NH³de Paenibacillus fijadoras de nitrógeno aisladas a partir del suelo. La producción de amonio de las cepas se sometió a ensayo en diferentes experimentos: biomasa seca, biomasa húmeda, extracto libre de células y extracto libre de células adsorbido sobre nanopartículas de TiO²usando un biorreactor que contenía cápsulas de N²e H².

Sumario

En una realización, un método para producir amoniaco incluye: disolver hidrógeno en una disolución; disolver dióxido de carbono en la disolución; disolver nitrógeno en la disolución; colocar un inhibidor de glutamina sintetasa en la disolución; colocar bacterias diazótrofas autótrofas en la disolución; y metabolizar hidrógeno, dióxido de carbono y nitrógeno con las bacterias diazótrofas autótrofas para producir el amoniaco.

En otra realización, un sistema para producir amoniaco incluye una cámara de reactor con una disolución contenida en la misma. La disolución incluye hidrógeno disuelto, dióxido de carbono disuelto, nitrógeno disuelto, un inhibidor de glutamina sintetasa y bacterias diazótrofas autótrofas, en la que las bacterias diazótrofas autótrofas metabolizan hidrógeno, dióxido de carbono y nitrógeno dentro de la disolución para producir el amoniaco.

Debe apreciarse que los conceptos anteriores, y los conceptos adicionales comentados a continuación, pueden disponerse en cualquier combinación adecuada, ya que la presente divulgación no está limitada a este respecto. Además, otras ventajas y nuevas características de la presente divulgación resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de diversas realizaciones no limitativas cuando se consideran junto con las figuras adjuntas. Breve descripción de los dibujos

No se pretende que los dibujos adjuntos estén dibujados a escala. En los dibujos, cada componente idéntico o casi idéntico que se ilustre en las diversas figuras puede estar representado por un número similar. Para mayor claridad, no todos los componentes pueden estar marcados en cada dibujo. En los dibujos:

la figura 1 es un esquema de la síntesis de amoniaco distribuida en condiciones ambientales dentro de un reactor; la figura 2 es un gráfico de la reducción de N²usando el sistema de catalizadores CoPi | Co-P | ^X. autotrophicus con DO⁶⁰⁰, la cantidad de carga que lo atraviesa, la concentración del contenido de nitrógeno total (N^total) y el contenido de nitrógeno soluble (N^soluble) representados frente al tiempo;

la figura 3 es un gráfico del cambio de N^totaly DO⁶⁰⁰en diferentes condiciones;

la figura 4 es un gráfico de voltametría de barrido lineal (línea, 10 mV/s) y cronoamperometría (círculo, 30 min en promedio) del cátodo de Co-P para la HER en medio de ^X. autotrophicus, ⁱR corregida;

la figura 5 es un diagrama esquemático de la producción de NH³en un medio extracelular; y

la figura 6 es un gráfico de la DO⁶⁰⁰, la cantidad de carga que lo atraviesa, la concentración del contenido de nitrógeno total (N^total) y el contenido extracelular de NH³/NH⁴⁺(NH³) representados frente al tiempo.

Descripción detallada

A diferencia de los métodos de producción más tradicionales, la síntesis catalítica de NH3 a partir de N2 se ha notificado con complejos de metales de transición, electrocatalizadores, fotocatalizadores, nitrogenasa y diazótrofos heterótrofos. Sin embargo, estos enfoques normalmente proporcionan recambios limitados y usan productos químicos de sacrificio como reductores. Como consecuencia, los inventores han reconocido que puede ser deseable permitir una síntesis de NH3 selectiva a partir de N2 y H2O en condiciones ambientales. Esto puede ayudar a que se permita un enfoque distribuido hacia la síntesis de NH3 en condiciones ambientales, que también puede integrarse con diferentes formas de alimentación, incluyendo fuentes de energías renovables. Los posibles beneficios asociados con un enfoque de producción de este tipo pueden incluir que se permita una producción y utilización in situ del amoniaco al tiempo que se reducen las emisiones de CO2 en comparación con los métodos de producción más tradicionales.

En vista de lo anterior, los inventores han reconocido los beneficios asociados con el uso de una disposición basada en reactor que incluye una disolución con bacterias diazótrofas autótrofas que incluyen una o más enzimas útiles en la producción de amoniaco. Específicamente, el sistema para producir amoniaco incluye un reactor con una cámara que contiene una disolución. La disolución incluye hidrógeno, dióxido de carbono y nitrógeno disueltos así como un inhibidor de glutamina sintetasa en la disolución. La disolución también incluye una o más formas de bacterias diazótrofas autótrofas en la disolución. Durante su uso, las bacterias diazótrofas autótrofas metabolizan compuestos dentro de la disolución para producir amoniaco. Específicamente, las bacterias pueden incluir las enzimas nitrogenasa, tal como RuBisCO, e hidrogenasa que utilizan nitrógeno, dióxido de carbono e hidrogenasa para formar el amoniaco deseado. Las bacterias diazótrofas autótrofas apropiadas incluyen Xanthobacter autotrophicus y Bradyrhizobium japonicum.

Se incluye un inhibidor en la disolución para prevenir al menos parcialmente la captación de amoniaco en la biomasa de las bacterias. Por tanto, al menos una porción del amoniaco producido por las bacterias puede excretarse a la disolución para su posterior recogida. Como inhibidor, se usa un inhibidor de glutamina sintetasa (GS) tal como glufosinato (PPT) o metionina sulfoximina (MSO).

En algunas realizaciones, una disolución colocada en la cámara de un reactor puede incluir agua con uno o más disolventes, compuestos y/o aditivos adicionales. Por ejemplo, la disolución puede incluir: sales inorgánicas tales como fosfatos, incluyendo fosfatos de sodio y fosfatos de potasio; complementos de oligoelementos metálicos tales como hierro, níquel, manganeso, zinc, cobre y molibdeno; o cualquier otro componente apropiado además de los gases disueltos indicados anteriormente. En una de tales realizaciones, un fosfato puede tener una concentración de entre 9 y 50 mM.

Las concentraciones anteriormente indicadas de gases disueltos pueden controlarse de varias maneras, incluyendo burbujear gases a través de la disolución, generar los gases disueltos dentro de la disolución (por ejemplo, mediante electrólisis) o cualquier otro método apropiado para controlar la concentración de gas disuelto dentro de la disolución. Adicionalmente, los diversos métodos para controlar la concentración o bien pueden hacerse funcionar en modo de estado estacionario con parámetros de funcionamiento constantes y/o bien puede monitorizarse la concentración de uno o más de los gases disueltos para permitir un procedimiento de retroalimentación para cambiar activamente las concentraciones, las tasas de generación u otro parámetro apropiado para cambiar la concentración de gases disueltos para que esté dentro de los intervalos deseados indicados anteriormente. La monitorización de las concentraciones de gases puede realizarse de cualquier manera apropiada, incluyendo la monitorización del pH, medidores de oxígeno disuelto, cromatografía de gases o cualquier otro método apropiado.

En algunas realizaciones, puede suministrarse hidrógeno a una disolución usando la electrólisis de agua, es decir, la disociación de agua. Dependiendo de la realización particular, puede conectarse una fuente de alimentación a un primer electrodo y un segundo electrodo que están al menos parcialmente sumergidos en una disolución dentro de una cámara de reactor. La fuente de alimentación puede corresponder a cualquier fuente apropiada de corriente eléctrica que se aplica a los electrodos. Sin embargo, en al menos una realización, la fuente de alimentación puede corresponder a una fuente de energía renovable, tal como una célula solar, una turbina eólica o cualquier otra fuente apropiada de corriente, aunque también se contemplan realizaciones en las que se usa una fuente de energía no renovable. En cualquier caso, se hace pasar una corriente a partir de la fuente de alimentación a través de los electrodos y la disolución para producir hidrógeno y oxígeno. La corriente puede controlarse para producir una cantidad deseada de producción de hidrógeno y/u oxígeno a una tasa de producción deseada. En una realización, los electrodos pueden estar recubiertos con, o formados a partir de, un catalizador de disociación de agua para facilitar adicionalmente la disociación de agua y/o reducir la tensión aplicada a la disolución. Por ejemplo, los electrodos pueden estar elaborados a partir de uno o más de una aleación de cobalto-fósforo, fosfato de cobalto, óxido de cobalto, hidróxido de cobalto, oxihidróxido de cobalto o cualquier otro material apropiado. En una realización específica, los electrodos primero y segundo pueden corresponder a un cátodo que incluye una aleación de cobalto-fósforo y un ánodo que incluye fosfato de cobalto. Sin embargo, también se contemplan realizaciones en las que se usan otros tipos de ánodos y/o cátodos ya que la divulgación no está tan limitada.

En casos en los que se usa un ánodo y/o cátodo a base de fósforo, tal como una aleación de cobalto-fósforo y/o un fosfato de cobalto, puede incluirse un tampón fosfato en la disolución. Los fosfatos apropiados incluyen, pero no se limitan a, fosfatos de sodio y fosfatos de potasio. Sin desear estar vinculados por la teoría, se cree que durante la electrólisis de agua, se extrae fósforo y/o cobalto a partir de los electrodos. El potencial de reducción de cobalto lixiviado es tal que la formación de fosfato de cobalto a partir de fosfato disponible en la disolución se ve energéticamente favorecida. El fosfato de cobalto formado en la disolución se deposita luego sobre el ánodo a una tasa linealmente proporcional al fosfato de cobalto libre, proporcionando un procedimiento de autorrecuperación para los electrodos. La concentración de fosfato puede estar entre 9 y 50 mM, aunque también pueden usarse otras concentraciones ya que la divulgación no está tan limitada.

En realizaciones en las que se produce hidrógeno usando la electrólisis de agua, la tensión aplicada a un par de electrodos sumergidos en una disolución puede limitarse a que esté entre los umbrales de tensión primero y segundo. En una de tales realizaciones, la tensión aplicada a los electrodos puede ser superior o igual a aproximadamente 1,8 V, 2 V, 2,2 V, 2,4 V o cualquier otra tensión apropiada. Adicionalmente, la tensión aplicada puede ser inferior o igual a aproximadamente 3 V, 2,8 V, 2,6 V, 2,4 V o cualquier otra tensión apropiada. Se contemplan combinaciones de los intervalos de tensión anteriormente indicados, incluyendo, por ejemplo, una tensión aplicada a un par de electrodos que está entre 1,8 V y 3 V. Sin embargo, debe entenderse que también se contemplan tensiones tanto superiores como inferiores a las indicadas anteriormente, así como diferentes combinaciones de los intervalos anteriores, ya que la divulgación no está tan limitada. Por ejemplo, se prevé que también pueden usarse otros catalizadores que permitan una tensión de disociación de agua más cercana a la tensión de disociación ideal de 1,23 V.

Tal como se indicó previamente, en algunas realizaciones, puede introducirse un flujo de gas a una disolución contenida dentro de una cámara de reactor para disolver una razón de gases deseada en la disolución. Por ejemplo, en una realización, un sistema puede incluir una o más fuentes de gases que están conectadas por conexión de fluido a una o más entradas de gas asociadas con la cámara. Las entradas de gas están dispuestas para burbujear el gas a través de la disolución. Por ejemplo, una válvula antirretorno puede estar conectada por conexión de fluido a una entrada en la parte inferior de la cámara, un tubo conectado a una fuente de gas puede tener un extremo sumergido en la disolución dentro de la cámara, o el sistema puede usar cualquier otra disposición apropiada para introducir los gases en la disolución. Por tanto, cuando una fuente de gas suministra un flujo presurizado de gas a la cámara, el gas se introduce en la disolución en la que burbujea de manera ascendente a través de la disolución disolviendo al menos una porción del gas en la misma.

Si bien una fuente de gas puede corresponder a cualquier tipo de gas apropiado, en una realización, una fuente de gas puede suministrar uno o más de hidrógeno, nitrógeno, dióxido de carbono y oxígeno. Adicionalmente, el flujo total de gases suministrado por una o más fuentes de gas a una disolución dentro de una cámara de reactor puede tener cualquier composición de gases apropiada. Sin embargo, en una realización, el flujo de gas puede contener entre el 10 y el 99,46% de nitrógeno, entre el 0,04 y el 90% de dióxido de carbono y/o entre el 0,5% y el 5% de oxígeno. Por supuesto, también se contemplan realizaciones en las que se burbujea una mezcla de gases diferente a través de una disolución que incluye diferentes gases y/o diferentes concentraciones, tanto superiores como inferiores a las indicadas anteriormente, ya que la divulgación no está tan limitada.

Ejemplos

Un reactor usado en los experimentos incluía un sistema de catalizadores de disociación de agua biocompatible que incluye un cátodo de aleación de cobalto-fósforo (Co-P) para la reacción de evolución de hidrógeno (HER) y un ánodo de fosfato de cobalto (CoPⁱ) para la reacción de evolución de oxígeno (OER). Este sistema permitió el uso de una tensión de excitación (E^apl) baja al tiempo que se producía el hidrógeno deseado para su uso en la producción de amoniaco. Específicamente, se logró la síntesis de NH³a partir de N²y H²O usando el sistema de disociación de agua y llevando a cabo la reacción de reducción de N²dentro de microorganismos autótrofos oxidantes de H². En este caso, se usó Xanthobacter autotrophicus (X. autotrophicus). X. autotrophicus es una bacteria gram-negativa que pertenece a un pequeño grupo de diazótrofos, que en condiciones microaerobias (menos de aproximadamente el 5% de O²) pueden usar el H²como su única fuente de energía para fijar el CO²y el N²en la biomasa. Por tanto, en esta configuración experimental, la disociación de agua electroquímica generó H²como fuente de energía biológica y en el mismo reactor ^X. autotrophicus actúa como catalizador de reacción de reducción de N²a temperatura ambiente para convertir H²y N²en NH³.

La figura 1 muestra un esquema de la configuración experimental que incluye un reactor con una única cámara que aloja electrodos sumergidos en una disolución acuosa. Los electrodos incluían un cátodo de Co-P para la reacción de evolución de hidrógeno y un ánodo de CoPⁱpara la reacción de evolución de oxígeno. Se burbujeó una mezcla de gases que incluía el 2% de O², el 20% de CO²y el 78% de N²a través de la disolución a una velocidad de flujo superior o igual a 5 ml/min para mantener un entorno microaerobio.

Durante los experimentos, se aplicó una tensión (E^apl) constante entre los electrodos para la OER y para la HER para la disociación de agua. Las hidrogenasas (H²asas) de ^X. autotrophicus oxidaron e1H²generado, abasteciendo la reducción de CO²en el ciclo de Calvin y la fijación de N²por las nitrogenasas (N²asas). Cada recambio de reducción de N²produce dos moléculas de NH³y una molécula de H², pudiendo reciclarse este último por las hidrogenasas. El NH3 generado se incorpora normalmente en la biomasa, pero también puede difundir de manera extracelular como resultado de la acumulación a partir de la inhibición del anabolismo de NH3 (ruta 2) tal como se describió previamente.

Al comienzo de cada experimento, se inoculó X. autotrophicus en el medio mínimo libre de sustancias orgánicas sin ningún complemento de nitrógeno. Se aplicó una tensión de excitación (Eapl = 3,0 V) constante al sistema de catalizadores CoPi | Co-P, y se tomaron alícuotas periódicamente para la cuantificación de la biomasa (densidad óptica a 600 nm, DO600) así como del nitrógeno fijado (ensayo colorimétrico).

El sistema híbrido CoPi | Co-P | X. autotrophicus usaba electricidad para reducir el N2, así como el CO2, en la biomasa sin reactivos de sacrificio. La figura 2 presenta un gráfico de la DO600, la cantidad de carga que lo atraviesa, la concentración del contenido de nitrógeno total (Ntotal) y el contenido de nitrógeno soluble (Nsoluble) representados frente a la duración de los experimentos. También se representó la DO600 en un experimento de fermentación de H2 (“frasco de H2”) como comparación. Las barras de error en el gráfico indican el error estándar de la media (EEM) con n > 3. Tal como se muestra en la figura, la cantidad de carga que pasó a la disociación de agua era proporcional a la acumulación de biomasa (DO600) así como al contenido de nitrógeno total en el medio (Ntotal) durante los experimentos de 5 días.

La figura 3 presenta el cambio de Ntotal y DO600 en diferentes condiciones experimentales durante los experimentos de 5 días. Tal como se observa en la figura, el nitrógeno fijado se asimiló en la biomasa, ya que no hubo ningún cambio en el contenido de nitrógeno soluble (Nsoluble) extracelular. Se acumularon 72 ± 5 mg/l de Ntotal, así como 553 ± 51 mg/l de peso seco de células, de manera continua a lo largo del experimento (n = 3, entrada 1 en la figura 3). En cambio, no se observó acumulación de Ntotal en los controles que omitieron uno de los siguientes elementos en el diseño: disociación de agua, X. autotrophicus, un reactor de una única cámara y un entorno microaerobio (entradas 2 a 5 en la figura 2b). Particularmente en el caso del experimento de doble cámara (entrada 4 en la figura 3), la ausencia de acumulación de Ntotal es concurrente con el aumento de concentración de Co2+ soluble en el medio desde 0,9 ± 0,2 |iM hasta 40 ± 6 |iM en el plazo de 24 horas, tal como se determina mediante plasma de acoplamiento inductivoespectroscopía de masas (ICP-MS), que es próximo a ~50 |iM la concentración inhibidora semimáxima (CI50) de X. autotrophicus. Sin querer limitarse a la teoría, esto puede indicar que la instalación de una membrana de intercambio aniónico (AEM) previno la deposición de Co2+ lixiviado sobre el ánodo de CoPi, ilustrando que la biocompatibilidad de los materiales usados en el sistema puede ser una propiedad deseable del sistema. Además, tal como se ilustra en la figura, los aumentos en DO600 que superaron en gran medida los aumentos en Ntotal (entradas 4 y 5 en la figura 3) son probablemente debidos a la dispersión de luz a partir de la acumulación de poli(3-hidroxibutirato), que se produce como polímero de almacenamiento de carbono en condiciones de restricción de nutrientes junto con un exceso de carbono.

La actividad de NRR del sistema híbrido descrito también se ve respaldada por los ensayos de reducción de acetileno en células completas que se realizaron. Específicamente, se tomaron alícuotas directamente a partir de los dispositivos en funcionamiento que se expusieron a un entorno de gases O2/H2/CO2/Ar (2/10/10/78) y fueron capaces de reducir el C2H2 inyectado, dando exclusivamente C2H4 a una tasa de 127 ± 33 ^M h'1 DO600'1 (n = 3). Si la velocidad cinética de reducción de C2H2 por la nitrogenasa es una cuarta parte de la reducción de N2 basándose en la estequiometría de la reacción, esta actividad corresponde a ~12 mg/l de Ntotal al día para los cultivos de DO600 = 1,0. Esta tasa de fijación de N2 es compatible con la acumulación de Ntotal medida durante los experimentos de 5 días y excluye las posibilidades de otras fuentes de nitrógeno hipotéticas junto con otros controles (véase lo anterior). Esta medición corresponde a una frecuencia de recambio (TOF) de NRR de 1,4*104 s_1 por célula bacteriana. Si se supone un número de copias de nitrogenasa de aproximadamente 5000, basándose en la bibliografía previa, este TOF de NRR corresponde a aproximadamente ~3 s_1 por enzima, que es compatible con estudios previos. El número de recambio (TON) equivalente es de aproximadamente 8*109 por célula bacteriana y de 1*10® por nitrogenasa, al menos 2 órdenes de magnitud superior a los catalizadores sintéticos y biológicos previamente notificados.

La figura 4 presenta los resultados de voltametría de barrido lineal (línea, 10 mV/s) y cronoamperometría (círculo, 30 min en promedio) del cátodo de Co-P para la HER en medio de X. autotrophicus, iR corregida. Se presentan los valores termodinámicos de HER y NRR (Eher, Enrr). Las contribuciones de tensión a partir de la Eapl = 3,0 V aplicada se muestran debajo de la caracterización I-V. La reacción NRR funciona con fuerzas impulsoras cinéticas tan bajas como de 160 mV. Las características I-V del cátodo de Co-P para la HER en medio de X. autotrophicus indican un sobrepotencial aparente de aproximadamente 0,43 V. Sin querer limitarse a la teoría, gran parte de este valor no es intrínseco de las propiedades catalíticas de los electrodos, sino que se origina a partir de la acumulación de un gradiente de concentración de protones en la disolución débilmente tamponada (fosfato 9,4 mM). Restando la contribución del transporte de masas, el sobrepotencial de NRR intrínseco es de aproximadamente 0,16 V, mucho más bajo que los informes previos en la bibliografía. Posteriormente, la salinidad de medio diluido usa una tensión de excitación de Eapl = 3,0 V, que es superior a la notificada previamente. La baja conductividad iónica contribuye en aproximadamente el 28% de Eapl (~ 0,85 V), que probablemente puede reducirse mediante una optimización adicional. Independientemente, la eficiencia energética de NRR (^eleC,NRR) en los experimentos es del 1,8 ± 0,3% (n = 3) durante los experimentos de 5 días, además del 11,6 ± 1,9% de eficiencia eléctrica de reducción de CO2 ( e^lec,CO2, n = 3). Esto corresponde a ~900 GJ por tonelada de NH3, aunque el límite termodinámico es de 20,9 GJ por tonelada de NH3. Basándose en la estequiometría de la reacción de la nitrogenasa y en las rutas bioquímicas posteriores, el número teórico de moléculas de H²necesario para reducir una molécula de N²oscila entre 9,4 ~ 14,7, que establece un límite superior de ^^elec.NRRal 7,5 ~ 11,7%. Por tanto, la cantidad de reducción de nitrógeno notificada en este experimento es del 15 ~ 23% del rendimiento teórico, mucho mayor que las eficiencias faradaicas o los rendimientos cuánticos de otros sistemas en condiciones ambientales.

Los experimentos y sistemas descritos mostraron una reducción de N²y un crecimiento microbiano más rápidos en comparación con la fermentación de gases en condiciones similares. A diferencia del crecimiento lineal observado en el sistema híbrido (figura 2), la fermentación de gases en las mismas condiciones complementadas con un espacio de cabeza que contenía ~10% de H²(experimento de “frasco de H²” en la figura 2) muestra un crecimiento no lineal relativamente lento. Esta diferencia depende de la fijación de N², ya que el crecimiento bajo fermentación de gases y electrólisis no demostró ninguna diferencia discernible cuando se complementa amoniaco al medio. Sin querer limitarse a la teoría, se cree que esto es el resultado de la inhibición competitiva de H²sobre la nitrogenasa, con una constante de inhibición K¡s(D2) de ~11 kPa. Aunque la electrólisis mantiene una presión parcial de H²baja en el estado estacionario en el dispositivo híbrido, la alta concentración de H²en la fermentación de gases puede ralentizar la tasa de fijación de N²y/o reducir la eficiencia energética de NRR. Esta hipótesis se ve respaldada por simulaciones numéricas, que muestran una acumulación de biomasa más lenta en el caso de fermentación de gases. Por tanto, los presentes experimentos indican que el dispositivo híbrido descrito puede proporcionar beneficios adicionales en comparación con la combinación sencilla de fermentadores de gases con un electrolizador de disociación de agua, ya que el H²generado a partir de la disociación de agua puede influir en las rutas bioquímicas posteriores.

El dispositivo híbrido es capaz de excretar el NH³sintetizado a un medio extracelular. Ensayos bioquímicos previos y la secuenciación del genoma en esta cepa indican que el NH³generado a partir de nitrogenasa se incorpora en la biomasa a través de un procedimiento de dos etapas mediado por glutamina sintetasa (GS) y glutamato sintasa (GOGAT) (figuras 1 y 5). Si la funcionalidad de esta ruta de asimilación de NH³se ve interrumpida, se lleva a cabo la producción directa de una disolución de fertilizante de NH³extracelular. Se ha notificado que pueden usarse inhibidores de GS para la secreción de NH³en diazótrofos fermentadores de azúcares. Como prueba de concepto, se usó glufosinato (PPT), un inhibidor de GS específico usado comercialmente como herbicida, para bloquear la ruta de asimilación de NH³y permitir que el NH³sintetizado difunda de manera pasiva al medio extracelular (ruta 2 en la figura 1 y la figura 5). Después de la adición de PPT, se estancó la biomasa de X autotrophicus, al tiempo que aumentó el N^totaly la concentración de NH³libre en la disolución (Nnh3) (figura 6). Esto indica que la acumulación de nitrógeno después de la adición de PPT tomó principalmente la forma de NH³extracelular. Al final de los experimentos, la concentración de Nnh3 era de 11 ± 2 mg/l (~0,8 mM) y el N^totalacumulado alcanzó 47 ± 3 mg/l (n = 3, tabla S1). La tasa de fijación de N²tiende a ralentizarse en la última fase de los experimentos, lo que puede estar relacionado con la regulación de nitrógeno a niveles transcripcionales y postranscripcionales. La modificación por ingeniería adicional en la biología sintética es capaz de aliviar esta limitación.

Los experimentos anteriores demuestran la producción y el uso de un enfoque de síntesis de NH³alternativo a partir de N², H²O y electricidad. El procedimiento biosintético de disociación de agua funciona en condiciones ambientales y puede distribuirse para un suministro bajo demanda de fertilizante de nitrógeno. Cuando se acopla con un suministro de energía renovable, tal como un dispositivo fotovoltaico con una eficiencia energética del 18%, puede lograrse una fijación de N²alimentada por energía solar para dar NH³en hasta un 0,3% de eficiencia de energía solar con respecto a NH³junto con un 2,1 % de eficiencia de reducción de CO²por energía solar. Un sistema de cultivo típico reduce, al año, ~11 g de nitrógeno por m², que corresponde a una eficiencia de energía solar con respecto a NH³de ~4*10 ^-5(suponiendo una irradiancia solar anual de 2000 kWh/m²). Por tanto, este enfoque produce una eficiencia mucho mayor y proporciona una vía sostenible para la producción de fertilizantes sin el uso de combustibles fósiles. Aunque hay casos en los que las diversas materias primas (es decir, los gases) podrían proporcionarse usando combustibles fósiles, la presente divulgación no se limita a usar únicamente energías renovables y/o disociar agua directamente en un reactor para producir la generación de amoniaco deseada.

Aunque las presentes enseñanzas se han descrito junto con diversas realizaciones y ejemplos, no se pretende que las presentes enseñanzas estén limitadas a tales realizaciones o ejemplos. Por el contrario, las presentes enseñanzas abarcan diversas alternativas, modificaciones y equivalentes, tal como apreciarán los expertos en la técnica. Por consiguiente, la descripción anterior y los dibujos son sólo a modo de ejemplo.

Claims

REIVINDICACIONES

i. Método para producir amoniaco, comprendiendo el método:

disolver hidrógeno en una disolución;

disolver dióxido de carbono en la disolución;

disolver nitrógeno en la disolución;

colocar un inhibidor de glutamina sintetasa en la disolución;

colocar bacterias diazótrofas autótrofas en la disolución, y

metabolizar hidrógeno, dióxido de carbono y nitrógeno con las bacterias diazótrofas autótrofas para producir el amoniaco.
2. Método según la reivindicación 1, en el que disolver hidrógeno en la disolución comprende además disociar agua en la disolución para formar hidrógeno y oxígeno.
3. Método según la reivindicación 2, en el que disociar agua en la disolución comprende además disociar agua usando un cátodo que incluye aleación de cobalto-fósforo y un ánodo que incluye fosfato de cobalto.
4. Método según la reivindicación 3, en el que la disolución incluye un fosfato.
5. Método según la reivindicación 1, en el que disolver dióxido de carbono y nitrógeno en la disolución comprende además burbujear dióxido de carbono y nitrógeno a través de la disolución.
6. Sistema para producir amoniaco, que comprende:

una cámara de reactor con una disolución contenida en la misma, en la que la disolución incluye hidrógeno disuelto, dióxido de carbono disuelto, nitrógeno disuelto, un inhibidor de glutamina sintetasa y bacterias diazótrofas autótrofas, y

en la que las bacterias diazótrofas autótrofas metabolizan hidrógeno, dióxido de carbono y nitrógeno dentro de la disolución para producir el amoniaco.
7. Sistema según la reivindicación 6, que comprende además una fuente de alimentación conectada a un primer electrodo que comprende una aleación de cobalto-fósforo y un segundo electrodo que comprende fosfato de cobalto, en el que el primer electrodo y el segundo electrodo están al menos parcialmente sumergidos en la disolución dentro de la cámara de reactor.
8. Sistema según la reivindicación 7, que comprende además un fosfato en la disolución.
9. Sistema según la reivindicación 6, que comprende además una entrada de gas que burbujea gas a través de la disolución dentro de la cámara de reactor.
10. Sistema según la reivindicación 9, una fuente de gas que comprende al menos uno de nitrógeno, hidrógeno y dióxido de carbono conectada por conexión de fluido a la entrada de gas.
11. Método o sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las bacterias diazótrofas autótrofas incluyen las enzimas nitrogenasa e hidrogenasa.
12. Método o sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las bacterias diazótrofas autótrofas incluyen Xanthobacter autotrophicus y/o Bradyrhizobium japonicum.
13. Método o sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el inhibidor de glutamina sintetasa incluye glufosinato (PPT) y/o metionina sulfoximina (MSO).