ES2935332T3 - Concepto para la producción de alimentos con impacto ambiental reducido - Google Patents
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Abstract
Los compuestos orgánicos comestibles que pueden servir como alimentos o piensos, o como componentes de alimentos o piensos, se sintetizan a partir de carbono oxidado y agua, mediante el aporte de energía y utilizando vías de síntesis bien conocidas y validadas, que conducen a ácidos grasos libres y, opcionalmente, esterificado a triglicéridos. La fuente de carbono es preferiblemente CO2 de la atmósfera, o más preferiblemente fuentes puntuales de CO2 de la industria y/o producción de energía. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Concepto para la producción de alimentos con impacto ambiental reducido
Campo técnico de la invención
La presente descripción se refiere al campo de la síntesis orgánica, en particular a un nuevo concepto para producir alimentos o piensos directamente a partir de dióxido de carbono, agua y energía. Por tanto, la presente invención proporciona métodos para la síntesis de compuestos orgánicos comestibles que pueden servir como alimento o pienso, o como componentes de alimentos o pienso.
En última instancia, esto sirve para minimizar la necesidad de agricultura y ganadería, y puede reducir significativamente e incluso revertir el impacto ambiental de la creciente población de la tierra.
Antecedentes de la invención
Según el informe " World Population Prospects, la revisión de 2017 (United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Population Division) el crecimiento de la población humana mundial asciende a alrededor de 83 millones anuales, o aproximadamente 1,1% por año. La población mundial ha crecido de un estimado de mil millones en 1800 a 7,616 mil millones en 2018. Se espera que la población siga creciendo, y las estimaciones sitúan la población total en 8600 millones para mediados de 2030, 9800 millones para mediados de 2050 y 11200 millones para 2100.
En el artículo "A safe operating space for humanity" en Nature 461,472-475 (24 de septiembre de 2009) Johan Rockstrom et al. enfatiza la importancia de identificar y cuantificar los límites planetarios que no deben ser transgredidos, para ayudar a prevenir que las actividades humanas causen un cambio ambiental inaceptable. Los autores definieron nueve límites planetarios interconectados, proponiendo un espacio operativo seguro para cada uno y estimando la situación actual. Descubrieron que los límites en tres sistemas (tasa de pérdida de biodiversidad, cambio climático e interferencia humana con el ciclo del nitrógeno) ya se han superado. También indican que la humanidad pronto podría estar acercándose a los límites del uso global de agua dulce, el cambio en el uso de la tierra, la acidificación de los océanos y la interferencia con el ciclo global del fósforo.
Actualmente, el principal método de producción de alimentos para la creciente población de la tierra es la agricultura. La agricultura incluye la cría de animales y, por lo tanto, proporciona alimentos de origen vegetal y animal. La agricultura está estrechamente relacionada con el traspaso de al menos seis, tal vez siete de los límites planetarios, es decir, la pérdida de biodiversidad, el cambio en el uso de la tierra, el uso global de agua dulce, los ciclos globales de nitrógeno y fósforo, la contaminación química y muy probablemente también el cambio climático.
Esto es consecuencia de que la agricultura moderna depende fuertemente de los combustibles fósiles para trabajar el suelo, para el transporte y para la producción y manejo de fertilizantes y pesticidas. Además, los suelos del mundo enfrentan agotamiento y deterioro, y están en riesgo de erosión, compactación debido a maquinaria pesada, acumulación de sustancias tóxicas y la limpieza de nuevas tierras frecuentemente entra en conflicto con otros intereses, como la preservación de las selvas tropicales y otros biotopos importantes. Aproximadamente el 70 % de la demanda mundial de agua se consume en la agricultura, y solo alrededor del 10 % se utiliza como agua potable. El riego artificial reduce el nivel freático y el uso actual de fertilizantes y pesticidas también corre el riesgo de envenenar las aguas subterráneas, los ríos, los lagos y los mares.
La disponibilidad de fertilizantes, y en particular de fósforo, no puede darse por sentada y existe el riesgo de que las reservas de fósforo asequibles y comerciales de la tierra se agoten en un futuro próximo. Como consecuencia, los fertilizantes se usan con menos frecuencia, sin embargo, grandes cantidades de nutrientes llegan a los ecosistemas marinos a través de la escorrentía y provocan la proliferación de algas y el agotamiento del oxígeno. En un intento por recircular el fósforo, los lodos de depuración se esparcen en las tierras de cultivo. Sin embargo, esto requiere esfuerzos considerables en el manejo y transporte, y finalmente resulta en la acumulación de metales pesados y posiblemente drogas residuales en el suelo.
La cría de animales a gran escala no sólo causa graves problemas a los animales, sino que requiere una entrada constante de alimento que proviene de los suelos ya muy gravados, y el estiércol requiere un manejo cerrado para evitar la escorrentía y la consiguiente contaminación. El uso excesivo de antibióticos es otro riesgo importante para la salud humana.
La pesca proporciona una valiosa adición de proteínas. Sin embargo, al igual que la agricultura a gran escala, la pesca industrial a gran escala ha resultado perjudicial para los ecosistemas marinos y muchas especies están al borde de la extinción debido a la sobrepesca. La piscicultura también ha demostrado estar plagada de problemas ambientales. El concepto relativamente moderno de acuaponia, es decir, la combinación de plantas en crecimiento y organismos vivos acuáticos, principalmente peces, en un sistema cerrado, es muy prometedor. Esto minimiza la contaminación y garantiza un uso más eficiente de los nutrientes, pero aún no ofrece la panacea necesaria para alimentar a la creciente población mundial.
El dióxido de carbono atmosférico es la fuente principal de carbono disponible en el ciclo del carbono y, por lo tanto, la fuente principal de carbono para todas las formas de vida en este planeta. El dióxido de carbono se elimina de la atmósfera principalmente a través de la fotosíntesis y entra en las biosferas terrestres y oceánicas en forma de biomasa, como parte de todos los organismos vivos.
Otra fuente de carbono en la atmósfera es el metano. Tanto el dióxido de carbono como el metano absorben y retienen calor en la atmósfera y son parcialmente responsables del efecto invernadero. El metano produce un mayor efecto invernadero por volumen en comparación con el dióxido de carbono, pero existe en concentraciones mucho más bajas y tiene una vida más corta que el dióxido de carbono, lo que hace que el dióxido de carbono sea el gas de efecto invernadero más importante de los dos.
Existe una comprensión cada vez mayor de que la humanidad necesita cambiar hacia una economía circular y reducir el impacto ambiental de nuestras actividades. Sin embargo, hasta ahora el enfoque principal ha estado en la producción de combustibles a partir de fuentes renovables. Se han sugerido como fuentes de carbono productos de desecho de la silvicultura y la agricultura, así como plantas y algas no comestibles, y se han investigado muchos procesos de bioconversión aeróbica y anaeróbica.
En la revisión "Fatty acid from the renewable sources: A promising feedstock for the production of biofuels and biobased chemicals" (Biotechnology Advances, 32(2014] 382-389] los autores Hui Liu et al. describen el progreso en la biosíntesis de ácidos grasos y sus derivados a partir de biomasa renovable y enfatizan la importancia de que los ácidos grasos sirvan como plataforma química y materia prima para una variedad de productos químicos.
Fang Zhang et al. en el artículo "Fatty acids production from hydrogen and carbon dioxide by mixed culture in the membrane biofilm reactor" (Water research 47 (2013] 6122-6129] informó que los ácidos grasos de cadena media podrían producirse a partir de H2 y CO2 en un reactor de membrana de fibra hueco mediante cultivo microbiano mixto.
El documento US 20160281115 describe procesos continuos para la bioconversión anaeróbica de gas de síntesis en productos hidrocarbonados oxigenados, en particular alcanoles inferiores. El uso de la ultrafiltración permite recuperar micronutrientes y rechazar componentes adversos a los microorganismos, por lo que se pueden lograr fermentaciones continuas durante largos períodos.
WO2017174048 describe la conversión de dióxido de carbono en agua y carbohidratos.
El estado de la técnica disponible parece haberse centrado en el uso de procesos biológicos y, en la mayoría de los casos, en la producción de combustibles. Esto no aborda todos los problemas de hoy, por ejemplo, el agotamiento y el deterioro de los suelos, el alto requerimiento de energía y el impacto ambiental de la agricultura, la ganadería y la pesca.
Breve descripción de la invención
Los presentes inventores presentan aquí una solución verdaderamente disruptiva en la que se usa electricidad para producir sustancias biodisponibles a partir de dióxido de carbono, la forma más oxidada de carbono, y agua. Uno de los objetivos es poner a disposición nuevos métodos para la síntesis de sustancias biodisponibles y, en última instancia, de alimentos, partiendo directamente de la energía, el carbono oxidado y el agua. Otro objetivo es evitar depender del uso de plantas y animales para la producción de alimentos.
Así, un primer aspecto de la presente divulgación se relaciona con el uso de agua y dióxido de carbono en un proceso para la producción de sustancias orgánicas comestibles, donde el proceso comprende las etapas de
- electrólisis del agua para producir hidrógeno y oxígeno,
- captura o recuperación de dióxido de carbono,
- conversión de dicho dióxido de carbono en monóxido de carbono,
- someter dicho hidrógeno y monóxido de carbono a una síntesis de Fischer-Tropsch para producir una mezcla de olefinas, - aumentar opcionalmente la proporción de etileno por acoplamiento de metano para formar etileno, y/o convertir olefinas superiores para formar etileno,
- aislar etileno,
- sintetizar alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a partir de dicho etileno, y
- oxidar dichas alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a ácidos grasos libres con un número par de átomos de carbono, en donde la entrada de energía neta está en forma de electricidad.
Un segundo aspecto se relaciona con el uso de agua y dióxido de carbono en un proceso para la producción de sustancias orgánicas comestibles, en donde dicho proceso comprende los pasos de
- electrólisis del agua para producir hidrógeno y oxígeno,
- captura o recuperación de dióxido de carbono,
- someter dicho hidrógeno y dióxido de carbono a síntesis catalítica para producir metanol,
- convertir dicho metanol en una mezcla de olefinas,
- opcionalmente, convertir propileno y olefinas superiores para producir etileno, aislar etileno,
- sintetizar alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a partir de dicho etileno, y
- oxidar dichas alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a ácidos grasos libres con un número par de átomos de carbono, en donde la entrada de energía neta está en forma de electricidad.
De acuerdo con una realización de dicho primer o segundo aspecto, el proceso comprende además un paso de agregar glicerol y esterificar dichos ácidos grasos libres a triglicéridos.
Según otra realización de dicho primer o segundo aspecto, libremente combinable con lo anterior, el oxígeno producido en el paso de electrólisis es conducido a una unidad de combustión para la combustión de materia orgánica, y el dióxido de carbono es capturado/recuperado de los gases de escape de dicha combustión.
Un tercer aspecto se refiere a un método para la producción de sustancias orgánicas comestibles, comprendiendo dicho método los pasos
- electrólisis del agua para producir hidrógeno y oxígeno,
- captura o recuperación de dióxido de carbono,
- conversión de dicho dióxido de carbono en monóxido de carbono,
- someter dicho hidrógeno y monóxido de carbono a una síntesis de Fischer-Tropsch para producir una mezcla de olefinas, - aumentar opcionalmente la proporción de etileno por acoplamiento de metano para formar etileno y/o convertir, por ejemplo, rompiendo olefinas superiores para formar etileno,
- aislar etileno,
- sintetizar alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a partir de dicho etileno, y
- oxidar dichas alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a ácidos grasos libres con un número par de átomos de carbono, en donde la entrada de energía neta está en forma de electricidad.
Según una realización de dicho tercer aspecto, dicho paso de electrólisis es un paso de electrólisis a alta temperatura, y el calor residual de la síntesis de Fischer-Tropsch se usa para generar vapor para dicho paso de electrólisis a alta temperatura.
Un cuarto aspecto se refiere a un método para la producción de sustancias orgánicas comestibles, comprendiendo dicho método los pasos
- electrólisis del agua para producir hidrógeno y oxígeno,
- captura o recuperación de dióxido de carbono,
- someter dicho hidrógeno y dióxido de carbono a síntesis catalítica para producir metanol,
- convertir dicho metanol en una mezcla de olefinas,
- opcionalmente, convertir propileno y olefinas superiores para producir etileno,
- aislar etileno,
- sintetizar alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a partir de dicho etileno, y
- oxidar dichas alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a ácidos grasos libres con un número par de átomos de carbono, en donde la entrada de energía neta está en forma de electricidad.
Según una realización de dicho cuarto aspecto, dicho paso de electrólisis es un paso de electrólisis a alta temperatura, y el calor residual de la síntesis exotérmica de metanol se usa para generar vapor para dicho paso de electrólisis a alta temperatura.
Según una realización de dicho tercer o cuarto aspecto, libremente combinable con los otros aspectos y realizaciones, el método incluye además un paso de añadir glicerol y esterificar dichos ácidos grasos libres a triglicéridos.
Según otra realización de dicho tercer o cuarto aspecto, libremente combinable con los otros aspectos y realizaciones, el oxígeno producido en el paso de electrólisis se conduce a una unidad de combustión para la combustión de materia orgánica, y el dióxido de carbono es capturado/recuperado de los gases de escape de dicha combustión.
Según otra realización de dicho tercer o cuarto aspecto, combinable libremente con los otros aspectos y realizaciones, la entrada de energía neta es en forma de electricidad.
De acuerdo con una realización adicional de dicho tercer o cuarto aspecto, libremente combinable con los otros aspectos y realizaciones, los ácidos grasos libres como tales, o después de la esterificación a triglicéridos, se formulan (mezclan, procesan, etc.) en productos alimenticios para consumo humano.
De acuerdo con otra realización de dicho tercer o cuarto aspecto, libremente combinable con los otros aspectos y realizaciones, los ácidos grasos libres como tales, o después de la esterificación a triglicéridos, se formulan (mezclados, procesados, etc.) en productos alimenticios para consumo animal.
De acuerdo con una realización adicional de dicho tercer o cuarto aspecto, libremente combinable con los otros aspectos y realizaciones, los ácidos grasos libres como tales, o después de la esterificación a triglicéridos, se utilizan como alimento
para cultivos celulares, dichas células se seleccionan de células de levadura, células bacterianas, células fúngicas, células vegetales o células animales no humanas.
Según aún otra realización de dicho tercer o cuarto aspecto, libremente combinable con los otros aspectos y realizaciones, los triglicéridos o lípidos se utilizan como alimento para insectos, y dichos insectos se cosechan para la producción de alimentos.
Según aún otra realización de dicho tercer o cuarto aspecto, libremente combinable con los otros aspectos y realizaciones, los triglicéridos o lípidos se utilizan como alimento para animales, reduciendo la necesidad de alimentación a base de plantas cuando se crían animales.
Un quinto aspecto se refiere a alimentos o productos para piensos producidos por un método de acuerdo con cualquiera de los aspectos y realizaciones anteriores.
Breve descripción de las figuras
La invención se describe ahora, a modo de ejemplo, con referencia a las figuras adjuntas, en las que:
La Figura 1 es una fotografía que muestra una porción de los ácidos grasos sintéticos (una mezcla C16/C18) obtenidos como un sólido blanco en el Ejemplo 3.
La Figura 2 es una fotografía que muestra una porción del tripalmitato de glicerilo obtenido en el Ejemplo 4.
La Figura 3 muestra un esquema de síntesis que ilustra el concepto de la invención y muestra vías de síntesis alternativas e indica el contenido de energía como calor de combustión [kJ/mol] obtenido del N1ST Chemistry WebBook, SRD 69, publicado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, Departamento de Comercio de EE.UU.
Descripción detallada de la invención
Antes de que se describa la presente invención, debe entenderse que la terminología empleada en este documento se usa con el propósito de describir realizaciones particulares únicamente y no pretende ser limitativa, ya que el alcance de la presente invención estará limitado solo por las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes.
Debe señalarse que, tal como se utiliza en esta descripción y en las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares "un", "una", "uno", "la" y "el" incluyen referentes plurales a menos que el contexto indique claramente lo contrario.
Los términos "alimento" y "pienso" se utilizan para definir sustancias y formulaciones que pueden ser ingeridas de forma segura por seres humanos [alimento] y animales [pienso], incluidos aperitivos, bebidas, alimentos sólidos y líquidos y formulaciones de piensos.
El término "comestible" se utiliza para describir que una sustancia es generalmente reconocida, entre expertos calificados, por haber demostrado adecuadamente que es segura en las condiciones de su uso previsto, es decir, ingerida como alimento o pienso, o ingerida como componente de alimentos o piensos. Según la versión en línea del diccionario de Cambridge [https://dictionary.cambridge.org/] el adjetivo "comestible" se refiere a algo adecuado o seguro para comer. Se reconoce que la distinción entre "comestible" y "venenoso" es relativa, ya que la dosis es decisiva. Los ingredientes comunes en los alimentos, como la sal de mesa [cloruro de sodio] o el azúcar [glucosa], se consideran comestibles, aunque una sobredosis de ambos puede ser letal. Para el cloruro de sodio, la DL50 es de 3 g/kg de peso corporal y para la sacarosa, de 29,7 g/kg. Así, para un ser humano adulto, la ingesta de unos 200 g de sal de mesa o unos 2 kg de azúcar podría ser letal, sin embargo, ambas sustancias se consideran "comestibles" en las condiciones de su uso previsto, como componentes de los alimentos. Del mismo modo, aunque una ingesta excesiva de lípidos en la dieta puede ser perjudicial para la salud, los ácidos grasos y los triglicéridos se consideran comestibles o seguros cuando se consumen en una dieta normal, ya que son degradados por lipasas salivales, intestinales y pancreáticas.
Los términos "captura" y "recuperación" pretenden abarcar técnicas existentes y futuras para separar y concentrar dióxido de carbono de un medio sólido, líquido o gaseoso, por ejemplo -pero no limitados a- captura de carbono previa a la combustión, carbono postcombustión, captura de carbono de combustión de oxicombustible y captura directa de aire. Las tecnologías disponibles en la actualidad incluyen operaciones unitarias como filtrado, absorción, conversión catalítica, refrigeración y compresión. Estas tecnologías ya están disponibles para los expertos en la materia, además de las nuevas tecnologías en desarrollo.
El término "conversión" se refiere en general al proceso de cambiar la forma o el carácter de un compuesto, como cambiar un hidrocarburo de una forma saturada a una insaturada, o viceversa, agregar o eliminar un carbono, etc. Existen muchos métodos para convertir hidrocarburos, véase, por ejemplo, The Chemistry of Catalytic Hydrocarbon Conversions, Herman Pines, Academic Press, 1981.
El término "craqueo" se refiere a métodos en los que los hidrocarburos más largos se descomponen en hidrocarburos
más cortos, a menudo insaturados. Existen varios métodos establecidos de craqueo, como el craqueo térmico y el craqueo catalítico. Dos de los procesos de craqueo catalítico más intensos y comúnmente utilizados en la refinación de petróleo son el craqueo catalítico fluido y el hidrocraqueo. Los procesos de craqueo adecuados y sus parámetros pueden ser elegidos por un experto en la materia, basándose en información pública, como el "Handbook of Petroleum Refining Processes", Robert A. Meyers (Ed.), 4ta Edición, Educación McGraw-Hill; marzo de 2016.
Los presentes inventores abogan por el uso de ácidos grasos libres comestibles producidos sintéticamente, ya sea directamente u opcionalmente después de la esterificación a triglicéridos, como alimento para humanos, como componentes en alimentos humanos o como componentes en alimentos para animales, o como alimentos para cultivos celulares, donde dichos ácidos grasos libres se producen en un proceso donde la entrada de energía neta es en forma de electricidad, y los materiales de partida son solo dióxido de carbono y agua. El dióxido de carbono está disponible en la atmósfera, donde los niveles crecientes contribuyen al efecto invernadero y al calentamiento global. El agua está disponible libremente, en particular porque el agua se someterá a electrólisis, recuperando el hidrógeno que se forma. Así será posible utilizar agua contaminada, y como un efecto secundario ventajoso, la electrólisis contribuirá a descomponer los contaminantes químicos y microbianos, purificando así el agua.
Así, un primer aspecto de la presente divulgación se relaciona con el uso de agua y dióxido de carbono en un proceso para la producción de sustancias orgánicas comestibles, donde el proceso comprende los pasos de
- electrólisis del agua para producir hidrógeno y oxígeno,
- captura o recuperación de dióxido de carbono,
- conversión de dicho dióxido de carbono en monóxido de carbono,
- someter dicho hidrógeno y monóxido de carbono a una síntesis de Fischer-Tropsch para producir una mezcla de olefinas, - aumentar opcionalmente la proporción de etileno por acoplamiento de metano para formar etileno y/o convertir, por ejemplo, rompiendo olefinas superiores para formar etileno,
- aislar etileno,
- sintetizar alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a partir de dicho etileno, y
- oxidar dichas alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a ácidos grasos libres con un número par de átomos de carbono, en donde la entrada de energía neta está en forma de electricidad.
Un segundo aspecto se relaciona con el uso de agua y dióxido de carbono en un proceso para la producción de sustancias orgánicas comestibles, donde dicho proceso comprende los pasos de
- electrólisis del agua para producir hidrógeno y oxígeno,
- captura o recuperación de dióxido de carbono,
- someter dicho hidrógeno y dióxido de carbono a síntesis catalítica para producir metanol,
- convertir dicho metanol en una mezcla de olefinas,
- opcionalmente, convertir propileno y olefinas superiores para producir etileno
- aislar etileno,
- sintetizar alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a partir de dicho etileno, y
- oxidar dichas alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a ácidos grasos libres con un número par de átomos de carbono, en donde la entrada de energía neta está en forma de electricidad.
La fuente de energía es preferiblemente una fuente renovable, y más preferiblemente una fuente de baja emisión y lo más preferiblemente una fuente de cero emisiones, tal como fotovoltaica, energía eólica o energía hidroeléctrica incluyendo energía undimotriz y mareomotriz.
Como alternativa a la electrólisis, la separación del agua en hidrógeno y oxígeno puede lograrse mediante otros métodos, tales como, entre otros, electrólisis con membrana de intercambio de protones [p Em , por sus siglas en inglés] y electrólisis de agua alcalina.
De acuerdo con una realización de dicho primer o segundo aspecto, el proceso comprende además un paso de agregar glicerol y esterificar dichos ácidos grasos libres a triglicéridos.
Según otra realización de dicho primer o segundo aspecto, libremente combinable con lo anterior, el oxígeno producido en el paso de electrólisis es conducido a una unidad de combustión para la combustión de materia orgánica, y el dióxido de carbono es capturado/recuperado de los gases de escape de dicha combustión.
Esta realización es particularmente ventajosa cuando una planta para la producción de sustancias orgánicas comestibles que opera de acuerdo con los métodos descritos en este documento está ubicada en las proximidades de una central eléctrica que depende de la combustión de combustible orgánico (por ejemplo, biocombustibles, carbón, petróleo, gas natural, plásticos reciclados, residuos municipales o industriales, o subproductos o residuos de la agricultura, la silvicultura o la industria alimentaria). La central eléctrica genera electricidad que se utiliza para la electrólisis del agua (que puede ser agua residual, ayudando en la purificación de dicha agua residual) y el oxígeno formado como subproducto de dicha electrólisis se alimenta a la unidad de combustión de dicha central eléctrica.
Una configuración similar dispuesta preferentemente en otras fuentes puntuales de dióxido de carbono, como fábricas de cemento, industria siderúrgica y refinerías petroquímicas, por nombrar algunos ejemplos. La fabricación de cemento es una fuente importante de emisiones de dióxido de carbono, tanto directamente cuando se calienta carbonato de calcio, produciendo cal y dióxido de carbono, como indirectamente, a través del uso de energía si la producción de dicha energía implica emisiones de dióxido de carbono. Se estima que la industria del cemento representa alrededor del 10 % de las emisiones mundiales de CO2 provocadas por el hombre.
Un tercer aspecto se refiere a un método para la producción de sustancias orgánicas comestibles, comprendiendo dicho método los pasos
- electrólisis del agua para producir hidrógeno y oxígeno,
- captura o recuperación de dióxido de carbono,
- conversión de dicho dióxido de carbono en monóxido de carbono,
- someter dicho hidrógeno y monóxido de carbono a una síntesis de Fischer-Tropsch para producir una mezcla de olefinas, - aumentar opcionalmente la proporción de etileno por acoplamiento de metano para formar etileno y/o convertir, por ejemplo, rompiendo olefinas superiores para formar etileno,
- aislar etileno,
- sintetizar alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a partir de dicho etileno, y
- oxidar dichas alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a ácidos grasos libres con un número par de átomos de carbono, en donde la entrada de energía neta está en forma de electricidad.
Según una realización de dicho tercer aspecto, dicho paso de electrólisis es un paso de electrólisis a alta temperatura, y el calor residual de la síntesis de Fischer-Tropsch se usa para generar vapor para dicho paso de electrólisis a alta temperatura.
Un cuarto aspecto se refiere a un método para la producción de sustancias orgánicas comestibles, comprendiendo dicho método los pasos
- electrólisis del agua para producir hidrógeno y oxígeno,
- captura o recuperación de dióxido de carbono,
- someter dicho hidrógeno y dióxido de carbono a síntesis catalítica para producir metanol,
- convertir dicho metanol en una mezcla de olefinas,
- opcionalmente, convertir propileno y olefinas superiores para producir etileno
- aislar etileno,
- sintetizar alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a partir de dicho etileno,
- oxidar dichas alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a ácidos grasos libres con un número par de átomos de carbono, en donde la entrada de energía neta está en forma de electricidad.
Según una realización de dicho cuarto aspecto, dicho paso de electrólisis es un paso de electrólisis a alta temperatura, y el calor residual de la síntesis exotérmica de metanol se usa para generar vapor para dicho paso de electrólisis a alta temperatura.
De acuerdo con una realización de dicho tercer o cuarto aspecto, libremente combinable con los otros aspectos y realizaciones, el método incluye además un paso de agregar glicerol y esterificar dichos ácidos grasos libres a triglicéridos.
Según otra realización de dicho tercer o cuarto aspecto, libremente combinable con los otros aspectos y realizaciones, el oxígeno producido en el paso de electrólisis es conducido a una unidad de combustión para la combustión de materia orgánica, y el dióxido de carbono es capturado/recuperado de los gases de escape de dicha combustión.
Según otra realización de dicho tercer o cuarto aspecto, combinable libremente con los otros aspectos y realizaciones, la entrada de energía neta es en forma de electricidad.
De acuerdo con una realización adicional de dicho tercer o cuarto aspecto, libremente combinable con los otros aspectos y realizaciones, los ácidos grasos libres como tales, o después de la esterificación a triglicéridos, se formulan (mezclan, procesan, etc.) en productos alimenticios para consumo humano.
De acuerdo con otra realización de dicho tercer o cuarto aspecto, libremente combinable con los otros aspectos y realizaciones, los ácidos grasos libres como tales, o después de la esterificación a triglicéridos, se formulan (mezclan, procesan, etc.) en productos alimenticios para consumo animal.
De acuerdo con una realización adicional de dicho tercer o cuarto aspecto, libremente combinable con los otros aspectos y realizaciones, los ácidos grasos libres como tales, o después de la esterificación a triglicéridos, se utilizan como alimento para cultivos celulares, dichas células se seleccionan de células de levadura, células bacterianas, células fúngicas, células vegetales o células animales no humanas.
Según otra realización de dicho tercer o cuarto aspecto, libremente combinable con los otros aspectos y realizaciones, los
triglicéridos o lípidos se usan como alimento para insectos, y dichos insectos se cosechan para la producción de alimento.
Según otra realización de dicho tercer o cuarto aspecto, libremente combinable con los otros aspectos y realizaciones, los triglicéridos o lípidos se utilizan como alimento para animales, reduciendo la necesidad de alimentación a base de plantas cuando se crían animales.
Un quinto aspecto se refiere a alimentos o productos para piensos producidos por un método de acuerdo con cualquiera de los aspectos y realizaciones anteriores.
Como se muestra en el esquema de síntesis presentado en la Fig. 1, el punto de partida es el agua (H2O) que se somete a electrólisis (1), preferentemente electrólisis a alta temperatura, que descompone el agua en oxígeno (O2) e hidrógeno (H2) gaseoso. El hidrógeno gaseoso se separa (2) y se utiliza en el proceso reivindicado. El oxígeno resultante puede liberarse al ambiente o concentrarse y recolectarse para su uso en industrias químicas, en la producción de hierro y acero, o para otros usos.
El hidrógeno gaseoso luego se usa para producir gas de síntesis, por ejemplo, usando un proceso denominado reacción inversa de cambio de agua-gas (RWGS, por sus siglas en inglés) donde el dióxido de carbono y el hidrógeno reaccionan en presencia de un catalizador para formar gas de síntesis. Dichos procesos son conocidos, por ejemplo, a través del documento EP 2175986 A2, que describe una reacción inversa de cambio de gas de agua en un catalizador que consiste sustancialmente en cromo sobre un soporte de alúmina.
El hidrógeno también puede reaccionar con dióxido de carbono, formando gas de síntesis. En el esquema de síntesis de la Fig. 3, esta ruta se indica como (3) y luego también incluye la química de Fischer-Tropsch para convertir el gas de síntesis en olefinas. En el documento US 2014128486 A1. Dicho proceso comprende los pasos de a) poner en contacto gas de síntesis con una primera composición de catalizador para obtener una primera corriente de producto que comprende etileno, propileno e hidrocarburos alifáticos que tienen 4 o más átomos de carbono, b) dividir la primera corriente de producto en una segunda corriente de producto que comprende al menos el 90% de dichos hidrocarburos alifáticos que tienen cuatro o más átomos de carbono y una tercera corriente de productos que comprende etileno y propileno, c) separar el etileno y el propileno en la tercera corriente de productos para formar una primera corriente de etileno y una primera corriente de propileno y d) convertir la segunda corriente de producto en una cuarta corriente de producto que comprende etileno y/o propileno.
En una ruta alternativa, el gas de síntesis se usa para producir metanol, por ejemplo, usando el llamado proceso CRI, llamado así por Carbon Recycling International, una compañía islandesa, y divulgado por ejemplo en US 8,198,338. El metanol resultante se puede convertir luego en olefinas utilizando el proceso MTO, por sus siglas en inglés, (metanol a olefinas), descrito por ejemplo en el documento US 6,166,282. Esto se indica en la Fig. 3 como la vía 3b.
El proceso MTO convierte catalíticamente compuestos oxigenados, como el metanol, en olefinas ligeras. Típicamente, se prefiere un lecho fluidizado que usa catalizadores SAPO (silicoaluminofosfato) y la composición de las olefinas ligeras se dirige preferiblemente hacia un alto rendimiento de etileno. Tal dirección se puede lograr mediante una combinación de esta tecnología con pasos de postratamiento como el craqueo de olefinas (UOP/OCP total) o la conversión de olefinas para formar etileno, y puede resultar en una eficiencia de materia prima más eficiente.
Un ejemplo de una planta MTO entre muchas es la planta Lianyungang operada por Jiangsu Sailboat Petrochemical Co., Ltd, Jiangsu, China, que utiliza la tecnología OLEFLEX™ suministrada por Honeywell UOP, Des Plaines, EE. UU.
A continuación, el etileno se convierte en alcoholes de ácidos grasos utilizando el proceso Shell Higher Olefin (SHOP) o el proceso Ziegler-ALFOL®, utilizando catalizadores adecuados, por ejemplo, catalizadores de organoaluminio. Esta vía se indica como 4 en la Fig. 3. La reacción produce alcoholes primarios lineales con una cadena de carbonos pares. Los alcoholes primarios pueden modificarse aún más a alcoholes de ácidos grasos, que luego se oxidan (5) para producir ácidos grasos libres. Tanto las alfa olefinas resultantes como los alcoholes se oxidan para producir ácidos carboxílicos alifáticos (ácidos grasos libres, AGL) con un número par de átomos de carbono.
En la alternativa, usando SHOP, las olefinas se convierten en aldehídos grasos y luego en alcoholes grasos, que luego se oxidan más a ácidos grasos libres con un número par de átomos de carbono. Agregando glicerol a los ácidos grasos, cualquier triglicérido de interés puede sintetizarse utilizando reacciones de esterificación conocidas (6).
La esterificación de ácidos grasos con glicerol para formar triglicéridos (grasa) también se puede realizar con estequiometría limitante para el ácido graso, o mediante enzimas selectivas, dando como resultado mono o diglicéridos. Estas sustancias se usan comúnmente en combinación como emulsionantes en los alimentos, lo que ayuda a evitar que se separen las mezclas de aceites y agua. A menudo se utilizan en productos de panadería, bebidas, helados, manteca vegetal y margarina. La producción de monoglicéridos y diglicéridos a través de las rutas descritas es, por lo tanto, un buen complemento para la producción primaria de grasas, lo que permite la formulación de alimentos y piensos.
La esterificación se realiza preferentemente mediante esterificación de Fisher (véase, por ejemplo, "Name Reactions and Reagents in Organic Synthesis" de Bradford P. Mundy et al., 2° Ed., Wiley Interscience, 2005, ISBN 0471228540), pero
también se puede realizar utilizando otros métodos conocidos, como la transesterificación (US7067684), la catálisis enzimática (WO 90/12858) o mediante otras reacciones orgánicas, como el acoplamiento de cloruro de ácido graso con glicerol (Fatty Acids and Glycerides (Handbook of Lipid Research), A. Kuksis (Ed.), Springer, ISBN 978-1-4684-2567-3).
Una ventaja es que el concepto inventivo se basa en métodos conocidos y probados, que ya se utilizan a gran escala. Otra ventaja es que el método es energéticamente eficiente y de bajo costo ya que la cantidad de mano de obra se reduce significativamente. El método también utiliza los recursos (por ejemplo, agua, carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y fósforo) de manera muy eficiente, ya que la producción se lleva a cabo en sistemas cerrados, evitando así cualquier escorrentía de nutrientes.
En comparación con los enfoques biotecnológicos para la producción de alimentos, como los procesos basados en cultivos celulares, el proceso inventivo minimiza el uso de agua, nitrógeno y fósforo, tres componentes donde los límites planetarios están en riesgo.
Una ventaja adicional es que los métodos permiten la producción sintética simultánea y/o paralela de varios componentes de los alimentos, no solo la grasa que normalmente proporciona la mitad de las necesidades energéticas del cuerpo, sino también aditivos importantes, por ejemplo, emulsionantes como mono o diglicéridos que influyen en la textura, consistencia y suavidad de los productos alimenticios, y agentes aromatizantes, como los aldehídos, que contribuyen con aromas específicos asociados con diferentes productos alimenticios.
Los métodos también son más robustos que la agricultura tradicional, ya que son insensibles a períodos de sequía, tormentas, insectos, plagas, etc. En áreas contaminadas, los métodos permiten producir alimentos sin el riesgo de incluir, por ejemplo, metales pesados o residuos de plaguicidas en el producto final. Las instalaciones de producción también pueden estar ubicadas en áreas que de otro modo no serían aptas para la producción tradicional de alimentos, como desiertos, montañas, áreas árticas/antárticas.
Desde un punto de vista ambiental, los métodos son muy ventajosos, ya que minimizan el uso de la tierra. Por lo tanto, se pueden salvar los biotopos intactos restantes. Además, se podrían restaurar las tierras de cultivo actuales y reconstruir la biodiversidad. Cuando la energía proviene de fuentes renovables y el CO2 como materia prima se captura de la atmósfera o se recupera de procesos industriales, las únicas emisiones de gases de efecto invernadero provienen del transporte y la distribución, a menos que estas operaciones puedan ser alimentadas con energía de fuentes renovables, por ejemplo, vehículos eléctricos o vehículos que funcionan con biocombustibles de baja emisión.
Desde un punto de vista ético, los métodos tienen la ventaja de que no se dañan animales ni plantas de ninguna manera. También será posible hacer que la producción de alimentos esté disponible para todos los países, independientemente de factores como el clima, la disponibilidad de suelos fértiles, agua, etc. También es éticamente ventajoso que se pueda alimentar a una población creciente sin causar daños irreparables a la biosfera.
Basado en Información divulgada en el informe "Power-to-Liquids: Potentials and Perspectives for the Future Supply of Renewable Aviation Fuel" de Patrick Schmidt y Arne Roth, publicado por la Agencia de Medio Ambiente de Alemania en septiembre de 2016, se estima que la conservación de energía lograda por el método reivindicado sería de alrededor del 50 % para los intermedios, y un 25 % estimado para productos alimenticios finales, la última cifra sin embargo depende de la integración del proceso, es decir, la eficiencia en el manejo y procesamiento de materiales entre diferentes pasos desde el inicio hasta el producto final.
Se estima que la producción de 100 kg de alimento utilizando el método reivindicado da como resultado la absorción de 300 kg de CO2 , dado que un mol de CO2 pierde 2/3 de su peso molecular cuando se reduce con H2 para producir -CH2-a base de ácidos grasos y triglicéridos. El costo del proceso depende en gran medida del costo de generación de la energía, pero suponiendo que la inversión en instalaciones de energías renovables como fotovoltaica, eólica, hidrotérmica, geotérmica, hidráulica, nuclear y undimotriz es asumida por la sociedad en su conjunto, el costo de producir 100 kg de ácidos grasos libres para su uso como alimento humano o animal se estima en unos 100 - 1000 EUR.
Ejemplos
Ejemplo 1. Producción de ácidos grasos libres mediante la síntesis de Fischer-Tropsch
Se establece una línea de producción integrada en una configuración similar a una refinería. La configuración es una combinación de los procesos existentes basados en la electrólisis del agua, la producción de olefinas mediante procesos de Fischer-T ropsch seguidos de la conversión a etileno y la producción consecutiva de ácidos grasos saturados de cadena uniforme mediante alfa-olefinas o mediante síntesis de alcoholes de ácidos grasos. Los pasos del proceso están integrados por una combinación de vías industriales, por ejemplo, producción de hidrógeno, producción de combustible, producción de aceite lubricante y producción de detergente. Estas vías están integradas para lograr una eficiencia óptima y ganancias en aumento.
La instalación de producción está preferiblemente ubicada en una gran fuente de emisión de CO2 tal como una planta de energía de combustión, una planta de energía, una fábrica de cemento, una fábrica de papel, una planta de fermentación
o una unidad de producción de biogás. Además, es preferible la abundancia de agua y una buena infraestructura en general y, de hecho, la instalación podría ubicarse de manera similar a una refinería común. Los ácidos grasos producidos se suministran directamente a la industria de alimentos para animales y también se convierten en triglicéridos para su suministro como alimento para animales y humanos.
El CO2 se recolecta utilizando la tecnología de captura de carbono apropiada. Si la fuente de emisión de CO2 es una planta de fermentación y biogás, se puede utilizar una tecnología menos compleja debido a la alta concentración de CO2 en esas corrientes. Las corrientes de gas con un contenido de CO2 más bajo deben mejorarse, por ejemplo, utilizando depuradores, preferiblemente utilizando MEA (monoetanolamina) u otras aminas. La corriente de CO2 concentrada luego se reforma con H2 generado electrolíticamente (a partir de agua) para producir gas de síntesis.
La tecnología Fischer-Tropsch se usa luego para la producción de etileno y propileno. El etileno se separa y se utiliza como bloque de construcción de carbono homogéneo para sintetizar alcoholes alifáticos o alfa olefinas alifáticas. El propileno sobrante puede usarse para otras síntesis o convertirse para formar etileno. Se prefieren los procesos industriales basados en el trabajo del Dr. Karl Ziegler y sus mejoras (por ejemplo, el proceso Ziegler-ALFOL® desarrollado por Conoco y el proceso EPAL® desarrollado por Ethyl Corporation).
Tanto las alfa-olefinas resultantes como los alcoholes se oxidan para producir ácidos carboxílicos alifáticos (ácidos grasos libres, AGL) con un número par de átomos de carbono. Se producen en un intervalo de pesos moleculares, apuntando a los que se encuentran en la naturaleza, es decir el intervalo de C12-C22. Estos ácidos carboxílicos luego se purifican por destilación y forman uno de los productos finales y pueden usarse como fuente de energía para humanos y animales. Además, los ácidos carboxílicos se hacen reaccionar mediante la esterificación de Fischer con glicerol para formar triglicéridos (grasa). El segundo producto final es, por tanto, la grasa, que se puede utilizar para alimentos y piensos. Los triglicéridos son el portador de energía preferido en este ejemplo, ya que se formulan fácilmente con otros ingredientes en alimentos y piensos, tienen un sabor neutro o incluso agradable y son los más comunes de los dos, utilizados en toda la industria alimentaria mundial.
Ejemplo 2. Producción de ácidos grasos libres mediante la síntesis de MTO
Alternativamente, una corriente concentrada de CO2 obtenida de una fuente puntual, u obtenida mediante la concentración de CO2 de cualquier otra fuente, luego se hace reaccionar con H2 generado electrolíticamente (a partir del agua) para producir metanol, usando uno de los procedimientos de síntesis de metanol disponibles, por ejemplo, el método descrito por Akzo Nobel o la tecnología disponible comercialmente de CR1. La producción de metanol es el primer paso clave para reducir químicamente el CO2 y así incorporar energía eléctrica a la molécula. Las propiedades físicas del metanol como intermediario también son favorables ya que es un líquido y puede almacenarse y transportarse fácilmente. Luego se hace reaccionar el metanol utilizando el proceso MTO [metanol a olefinas] para producir etileno y propileno. El etileno se separa y se utiliza como bloque de construcción de carbono homogéneo para sintetizar alcoholes alifáticos o alfa olefinas alifáticas.
Se prefieren los procesos industriales basados en el trabajo del Dr. Karl Ziegler y sus mejoras (por ejemplo, el proceso Ziegler-ALFOL® desarrollado por Conoco, y el proceso EPAL® desarrollado por Ethyl Corporation).
Tanto las alfa olefinas resultantes como los alcoholes se oxidan para producir ácidos carboxílicos alifáticos (ácidos grasos libres, AGL) con un número par de átomos de carbono. Se producen en un intervalo de pesos moleculares, apuntando a los que se encuentran en la naturaleza, es decir el intervalo de C12-C22. Estos ácidos carboxílicos luego se purifican por destilación y forman uno de los productos finales y pueden usarse como fuente de energía para humanos y animales. Además, los ácidos carboxílicos se hacen reaccionar mediante la esterificación de Fischer con glicerol para formar triglicéridos (grasa). Como en el Ejemplo 1, este ejemplo describe la producción de ácidos grasos libres y grasas a partir de CO2 , agua y energía.
Ejemplo 3. Síntesis a escala de laboratorio de ácidos grasos C16/C18
El etileno se usa para producir alcoholes alifáticos con un número par de carbonos. Luego, éstos se oxidan en una de dos formas para producir ácidos grasos libres, la materia prima para piensos y alimentos. Se sabe que existen varios métodos para oxidar alcoholes, por ejemplo, usando ozono, oxígeno, permanganato, ácido nítrico y enzimas. Estos reactivos, en combinación con una variedad de catalizadores, son bloques de construcción centrales en el campo de la oxidación química verde revisada por Sheldon (Roger A. Sheldon, Green Oxidation in Water, en Handbook of Green Chemistry, 2010, © 2010 Wiley-VCH Verlag GmbH & Compañía KGaA.). A continuación, se dan dos ejemplos de oxidaciones relevantes para producir ácidos grasos libres:
3.1 Oxidación con O2
Se disolvieron 1,52 g (6,03 mmol) de alcohol cetearílico (NAFOL1618, Sasol Performance Chemicals) en 25 mL de 1,2-dicloroetano (DCE) en un matraz de 100 mL agitando durante 20 min seguido de la adición de Fe(NO3)3^9H2O (0,24 g, 0,60 mmol], KCl (45 mg, 0,60 mmol) y (2,2,6,6-T etrametilpiperidin-1 -il]oxilo (TEMPO] (94 mg, 0,60 mmol). Luego, el matraz se conectó al vacío seguido de la adición de O2 desde un globo de 5 L. El procedimiento de vacío/oxígeno se repitió dos
veces. Después de 22 h de agitación a temperatura ambiente en atmósfera de oxígeno, la mezcla de reacción se filtró a través de una columna corta de gel de sílice eluida con diclorometano (DCM) (100 mL) y acetato de etilo (2x75 mL). Después de la evaporación y el vacío durante la noche a 40 °C, se obtuvieron los compuestos títulados (mezcla C16/C18) como un sólido blanco (1,546 g, 96 %] NMR (500 MHz, CDC13) 52,36 (t, J = Hz, 2 H, CH2], 1,63-1,68 (m, 2 H, CH2], 1,25-1,38 (m, 24/28 H, 12/14 x CH2], 0,89 (t, J = Hz, 3 H, CH3). Véase la Fig. 1.
El alcohol cetearílico (p. ej., NAFOL® 1618) es una mezcla de alcoholes grasos que consiste predominantemente en alcoholes cetílicos (C16) y estearílicos (C18), y se produce convenientemente mediante el proceso de Ziegler. En particular, el proveedor (Sasol) presenta este y otros productos relacionados como "alcoholes Ziegler".
Además, el método descrito anteriormente puede usarse con diferentes solventes y oxidarse con aire en lugar de O2.
3.2 Oxidación con HNO3
A una solución de heptano (0,3 mL) agitada y calentada (55 °C) de alcohol de ácido graso apropiado (50 mg, aproximadamente 0,2 mmol de una mezcla de hexadecanol/octadecanol), se le añadió lentamente un exceso del ácido nítrico oxidante HNO3 (99 %, 0,25 mL, 4 mmol). El sistema de dos fases se hizo reaccionar durante 18 horas a presión atmosférica. El gas de NO2 formado se eliminó del recipiente de reacción durante la reacción. La mezcla de reacción se lavó con salmuera (10 mL) y los ácidos grasos formados se recogieron recolectando la fase de heptano. Se recogió un sólido blanco después de la evaporación del heptano y se caracterizó con GC/MS, revelando los principales productos de reacción como ácido hexadecanoico y ácido octadecanoico. Los ácidos carboxílicos se formaron con una conversión del 85 %.
Ejemplo 4. Síntesis a escala de laboratorio de tripalmitato de glicerilo
El tripalmitato de glicerilo, también llamado palmitina, es un éster de glicerol y ácido palmítico. Se encuentra abundantemente en animales y vegetales, por ejemplo, en el aceite de palma, lo que explica el nombre (palmitina). También es un componente de la mantequilla y el aceite de oliva, donde se encuentra mezclado con otras grasas. Aquí, el tripalmitato de glicerilo se elige como ejemplo de una grasa que puede sintetizarse a partir de ácidos grasos libres producidos como se describe en este documento.
Se añadieron sucesivamente ácido palmítico (5:20 g, 20,27 mmol), pTsOH (61 mg, 338 |jmol) y glicerol (500 jl, 6:76 mmol) a un matraz de fondo redondo de 50 mL. La reacción se sometió a un vacío suave y se burbujeó un flujo bajo de nitrógeno en la mezcla de reacción. La reacción se calentó a 115 °C hasta la desaparición total del ácido palmítico monitorizado por GC-MS (15 horas). En esta etapa se tomó una muestra de RMN para asegurar que todo el material se había convertido en el triester.
La mezcla de reacción se enfrió a temperatura ambiente y se añadieron 50 mL de tolueno al sólido que se filtró. A continuación, el sólido se recristalizó en tolueno (20-30 mL) y finalmente se recristalizó en acetona (20 mL). El sólido blanco resultante se colocó en un horno al vacío a 40 °C durante la noche para dar 3,3 g del producto de triester deseado (61 % de rendimiento). RMN (1H 500 MHz, CDC13) 55,27 (m, 1H), 4,30 (dd, J = 11,9, 4,3 Hz, 1H), 4,15 (dd, J = 11,9, 6,0 Hz, 1H), 2,32 (m, 6H), 1,60 (m, 6H), 1,30(m, 72H), 0,89 (app t, J = 6,85 Hz, 9H).
Ejemplo 5. La producción de alimentos
Las sustancias producidas a través de los procesos descritos se administran directamente, o como formulaciones/mezclas, a seres humanos. Los ácidos grasos libres juegan un papel importante en el aroma y el sabor de muchos productos lácteos, como la leche, la mantequilla y el queso. Los ácidos grasos libres sintéticos pueden así utilizarse para producir sustitutos no lácteos para dichos productos. Los ácidos grasos libres sintéticos producidos como en la presente descripción también se pueden usar para producir suplementos nutricionales y para fortalecer los alimentos existentes, como los aceites vegetales, o para producir aceites sintéticos no lácteos y no vegetales para reducir el impacto de la agricultura, el agotamiento del suelo, la fuga de nutrientes, la necesidad de nuevas tierras cultivables y, por lo tanto, para evitar la destrucción de las selvas tropicales para la producción de, por ejemplo, aceite de palma. Los expertos en la técnica de refinación y formulación de productos a base de aceite vegetal, tales como aceites de cocina, también son capaces de refinar y formular sustitutos sintéticos a base de los ácidos grasos libres divulgados en este documento.
Las grasas se pueden procesar en emulsiones estables mezclando vigorosamente grasa, agua y uno o más emulsionantes, y opcionalmente agregando saborizantes, colorantes alimenticios, vitaminas y otros aditivos bien conocidos por los expertos en la técnica del procesamiento de alimentos. Los ejemplos de productos que se pueden obtener a partir de las grasas sintéticas descritas en el presente documento incluyen pero no se limitan a sustitutos de la leche y la nata no lácteos, quesos no lácteos, pastas para untar y helados. Las grasas sintéticas también se pueden incorporar a productos a base de cereales o legumbres, como snacks, platos preparados, bollería, etc.
Como las sustancias son idénticas a las sustancias nutritivas que se encuentran en los alimentos convencionales, contribuirán al metabolismo humano. Para los humanos, mantener la temperatura corporal es un sumidero de energía principal y las sustancias producidas de acuerdo con el concepto, métodos y procesos descritos en este documento
pueden usarse como un suministro de energía fundamental para este propósito y, por lo tanto, complementar una dieta diversificada. Una característica única de este concepto es que la energía obtenida por el cuerpo humano de esta manera es indirectamente producida por la electricidad y transportada a través de las sustancias producidas, como los ácidos grasos o los triglicéridos.
Ejemplo 6. Producción de piensos
Alternativamente, las sustancias producidas a través de los procesos descritos, por ejemplo, los triglicéridos en el intervalo de C12-C22 o sus análogos de ácidos grasos, se administran a los animales directamente, o como formulaciones o mezclas de piensos, o se añaden a los piensos y forrajes o como suplemento de los mismos, o como suplemento nutricional para animales de pastoreo, por ejemplo, para ganado vacuno, porcino, aves de corral o incluso para insectos. La energía ganada por los animales es parte de su metabolismo y contribuirá al crecimiento de su cuerpo. Posteriormente, los animales se recolectan como en la agricultura convencional, se procesan en diversos productos alimenticios y se suministran a los humanos como alimento (carne de res, carne picada, nuggets de pollo, etc.).
Una persona experta en la técnica de la formulación de alimentos está bien familiarizada con las operaciones unitarias de mezclar, combinar, moler, granular y envasar alimentos para animales, independientemente de si están destinados al ganado, las aves de corral o los animales acuáticos. Como primer paso, los ácidos grasos libres y las grasas producidos de acuerdo con la presente descripción pueden usarse para complementar los alimentos existentes. Sin embargo, el objetivo es eventualmente reemplazar los ácidos grasos libres y las grasas a base de plantas con sus contrapartes sintéticas, y minimizar y eventualmente eliminar el uso de tierras de cultivo para la producción de alimentos.
Sin más elaboración, se cree que un experto en la técnica puede, utilizando la presente descripción, incluidos los ejemplos, utilizar la presente invención en toda su extensión. Además, aunque la invención se ha descrito aquí con respecto a sus realizaciones preferidas, que constituyen el mejor modo actualmente conocido por los inventores, debe entenderse que varios cambios y modificaciones, como sería obvio para un experto en esta técnica, pueden hacerse sin apartarse del alcance de la invención que se establece en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (15)
1. El uso de agua y dióxido de carbono en un proceso para la producción de sustancias orgánicas comestibles, caracterizado porque dicho proceso comprende los pasos de
- electrólisis del agua para producir hidrógeno y oxígeno,
- captura o recuperación de dióxido de carbono,
- conversión de dicho dióxido de carbono en monóxido de carbono,
- someter dicho hidrógeno y monóxido de carbono a una síntesis de Fischer-Tropsch para producir una mezcla de olefinas,
- opcionalmente aumentando la proporción de etileno por acoplamiento de metano para formar etileno, y/o convirtiendo olefinas superiores para formar etileno,
- aislar etileno,
- sintetizar alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a partir de dicho etileno, y
- oxidar dichas alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a ácidos grasos libres con un número par de átomos de carbono,
en donde la entrada de energía neta está en forma de electricidad.
2. El uso de agua y dióxido de carbono en un proceso para la producción de sustancias orgánicas comestibles, caracterizado porque dicho proceso comprende los pasos de
- electrólisis del agua para producir hidrógeno y oxígeno,
- captura o recuperación de dióxido de carbono,
- someter dicho hidrógeno y dióxido de carbono a síntesis catalítica para producir metanol,
- convertir dicho metanol en una mezcla de olefinas,
- opcionalmente, convertir olefinas superiores para producir etileno,
- aislar etileno,
- sintetizar alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a partir de dicho etileno,
- oxidar dichas alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a ácidos grasos libres con un número par de átomos de carbono,
en donde la entrada de energía neta está en forma de electricidad.
3. El uso según la reivindicación 1 o 2, en donde el proceso comprende además una etapa de añadir glicerol y esterificar dichos ácidos grasos libres a triglicéridos.
4. El uso según la reivindicación 1 o 2, en donde el oxígeno producido en el paso de electrólisis se conduce a una unidad de combustión para la combustión de materia orgánica, y el dióxido de carbono es capturado/recuperado de los gases de escape de dicha combustión.
5. Un método para la producción de sustancias orgánicas comestibles, comprendiendo dicho método los pasos
- electrólisis del agua para producir hidrógeno y oxígeno,
- captura o recuperación de dióxido de carbono,
- conversión de dicho dióxido de carbono en monóxido de carbono,
- someter dicho hidrógeno y monóxido de carbono a una síntesis de Fischer-Tropsch para producir una mezcla de olefinas,
- opcionalmente aumentando la proporción de etileno por acoplamiento de metano para formar etileno, y/o convirtiendo olefinas superiores para formar etileno,
- aislar etileno,
- sintetizar alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a partir de dicho etileno, y
- oxidar dichas alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a ácidos grasos libres con un número par de átomos de carbono,
en donde la entrada neta de energía es en forma de electricidad.
6. El método según la reivindicación 5, en donde dicho paso de electrólisis es un paso de electrólisis a alta temperatura, y donde el calor residual de la síntesis de Fischer-Tropsch se usa para generar vapor para dicho paso de electrólisis a alta temperatura.
7. Un método para la producción de sustancias orgánicas comestibles, comprendiendo dicho método los pasos
- electrólisis del agua para producir hidrógeno y oxígeno,
- captura o recuperación de dióxido de carbono,
- someter dicho hidrógeno y dióxido de carbono a síntesis catalítica para producir metanol,
- convertir dicho metanol en una mezcla de olefinas,
- opcionalmente, convertir olefinas superiores para producir etileno,
- aislar etileno,
- sintetizar alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a partir de dicho etileno,
- oxidar dichas alfa-olefinas o alcoholes de ácidos grasos a ácidos grasos libres con un número par de átomos de carbono,
en donde la entrada de energía neta está en forma de electricidad.
8. El método según la reivindicación 7, en donde dicho paso de electrólisis es un paso de electrólisis a alta temperatura, y donde el calor residual de la síntesis exotérmica de metanol se usa para generar vapor para dicho paso de electrólisis a alta temperatura.
9. El método según la reivindicación 5 o 7, que incluye además un paso de añadir glicerol y esterificar dichos ácidos grasos libres a triglicéridos.
10. El método según la reivindicación 5 o 7, en donde el oxígeno producido en el paso de electrólisis se conduce a una unidad de combustión para la combustión de materia orgánica, y el dióxido de carbono es capturado/recuperado de los gases de escape de dicha combustión.
11. El método según la reivindicación 5 o 7, en donde los ácidos grasos libres como tales, o después de la esterificación a triglicéridos, se formulan en alimentos para consumo humano.
12. El método según la reivindicación 5 o 7, en donde los ácidos grasos libres como tales, o después de la esterificación a triglicéridos, se formulan en piensos para consumo animal.
13. El método según la reivindicación 5 o 7, en donde los ácidos grasos libres como tales, o después de la esterificación a triglicéridos, se añaden a medios de cultivo para el crecimiento de células, dichas células seleccionadas entre células de levadura, células bacterianas, células fúngicas, células vegetales o células animales no humanas.
14. El método según la reivindicación 5 o 7, en donde los triglicéridos o lípidos se usan como alimento para insectos, y dichos insectos se recolectan para la producción de alimentos.
15. El método según la reivindicación 5 o 7, en donde los triglicéridos o lípidos se usan como alimento para animales, reduciendo la necesidad de alimentos basados en plantas cuando se crían animales.
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