ES2946783T3

ES2946783T3 - Unidad de pruebas de gas y método

Info

Publication number: ES2946783T3
Application number: ES15853236T
Authority: ES
Inventors: Bjorn Daniel Heijstra; Sean Dennis Simpson; Nicholas Bourdakos; Jason Carl Bromley; Kai-Ming Yap
Original assignee: Lanzatech NZ Inc
Current assignee: Lanzatech NZ Inc
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2023-07-26
Anticipated expiration: 2035-10-21
Also published as: EA036274B1; KR20230038615A; PL3210012T3; AU2021201796A1; CN107076714A; CA2965319C; AU2021201835B2; JP2017531441A; AU2021201835A1; AU2015335917A1; EP3210012C0; JP2020127421A; EP3210012B1; JP2022068306A; KR102511057B1; EP4180806A1; WO2016065085A1; HUE062420T2; TWI755353B; US20160115517A1

Abstract

Se describen aparatos y métodos asociados para la evaluación eficiente de sustratos que contienen C1, y especialmente para dicha evaluación realizada localmente o in situ, en una instalación prospectiva para la implementación de un proceso de conversión biológica para el producto final deseado utilizando una fuente de carbono C1. La composición exacta de un sustrato industrial dado que contiene C1, así como el rango en las fluctuaciones de la composición, son generalmente difíciles de reproducir en una instalación remota (p. ej., un laboratorio o un proceso a escala piloto o de demostración), según se requiera. para la predicción/modelado preciso del desempeño comercial para justificar grandes gastos de capital para la ampliación comercial. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Unidad de pruebas de gas y método

Campo de la invención

Los aspectos de la invención se refieren a aparatos que incluyen fases de biorreactor separadas para evaluar el rendimiento comparativo entre un sustrato que contiene CO de prueba y un sustrato que contiene c O de referencia. Ventajosamente, dichos aparatos pueden ser alojados en un recipiente adecuado para el transporte (por ejemplo, al lugar donde se produce un gas residual que contiene CO industrial).

Descripción de la técnica relacionada

Las preocupaciones medioambientales por las emisiones de gases de efecto invernadero (GHG, por sus siglas en inglés) procedentes de combustibles fósiles han llevado a poner cada vez más énfasis en las fuentes de energía renovables. Como resultado, el etanol se está convirtiendo rápidamente en uno de los principales combustibles líquidos ricos en hidrógeno para el transporte en todo el mundo. Se prevé un crecimiento continuo del mercado mundial de la industria del combustible etanol en un futuro previsible, basado en un mayor énfasis en la producción de etanol en Europa, Japón y Estados Unidos, así como en varios países en desarrollo. Por ejemplo, en los Estados Unidos, el etanol se usa para producir E10, una mezcla con un 10 % de etanol en gasolina. En las mezclas de E10, el componente etanol actúa como un agente oxigenante, mejorando la eficiencia de la combustión y reduciendo la producción de contaminantes del aire. En Brasil, el etanol satisface aproximadamente el 30 % de la demanda de combustible para el transporte, como agente oxigenante mezclado con gasolina y como combustible puro por sí solo. Asimismo, la Unión Europea (UE) ha establecido objetivos obligatorios, para cada uno de sus países miembros, en cuanto al consumo de combustibles para el transporte sostenibles, como el etanol derivado de biomasa.

La mayor parte del combustible etanol se produce mediante procesos tradicionales de fermentación a base de levaduras que usan carbohidratos derivados de cultivos, como la sacarosa extraída de la caña de azúcar o el almidón extraído de los cultivos de granos, como la principal fuente de carbono. Sin embargo, el coste de esas materias primas de carbohidratos depende de su valor en el mercado para otros usos, es decir, como fuentes de alimentación para tanto humanos como animales. Asimismo, la cultivación de cultivos usados en la producción de almidón o sacarosa para la producción de etanol no es económicamente sostenible en todas las zonas geográficas, ya que ello depende tanto del valor de la tierra como del clima. Por estos motivos, resulta especialmente interesante desarrollar tecnologías para convertir recursos de carbono de bajo coste y/o más abundantes en combustible etanol. A este respecto, el monóxido de carbono (CO) es un subproducto importante de alto valor energético de la combustión incompleta de materiales orgánicos tales como carbón, petróleo y productos derivados del petróleo. Los gases residuales ricos en CO son el resultado de diversos procesos industriales. Por ejemplo, se indica que la industria siderúrgica de Australia produce y libera a la atmósfera más de 500.000 toneladas métricas de CO al año.

Más recientemente, las alternativas de procesos basados en microorganismos (bacterias) para producir etanol a partir de CO a escala industrial se han convertido en objeto de interés comercial y de inversión. La capacidad de crecimiento de los cultivos de microorganismos, con el CO siendo la única fuente de carbono, se descubrió por primera vez en 1903. Más tarde se determinó que esta característica radica en el uso por parte de un organismo de la vía bioquímica de la acetil coenzima A (acetil CoA) de crecimiento autótrofo (también conocida como la vía de Woods-Ljungdahl y la vía de la monóxido de carbono deshidrogenasa/acetil CoA sintasa (CODH/ACS)). Se ha demostrado que una gran cantidad de organismos anaerobios, incluidos los organismos carboxidotróficos, fotosintéticos, metanogénicos y acetogénicos metabolizan el CO. Las bacterias anaerobias, tales como las del género Clostridium, son conocidas por producir etanol a partir de CO, CO²y H²a través de la vía bioquímica de la acetil CoA. Por ejemplo, varias cepas de Clostridium Ijungdahlii que producen etanol a partir de gases se describen en los documentos WO 00/68407; EP 1117309 A1; US 5.173.429; US 5.593.886; US 6.368.819; WO 98/00558; y WO 02/08438. También se sabe que la bacteria Clostridium autoethanogenum sp produce etanol a partir de gases (Abrini et al., ARCHIVES OF MICROBIOLOGY 161: 345-351 (1994)).

Dado que cada enzima de un organismo promueve su conversión biológica designada con una selectividad esencialmente perfecta, las rutas de síntesis microbiana pueden lograr mayores rendimientos con menores costes energéticos en comparación con las rutas catalíticas convencionales. Por ejemplo, los requisitos energéticos para separar subproductos, que son resultado de reacciones secundarias no selectivas, de los productos deseados pueden reducirse. Asimismo, las preocupaciones por el envenenamiento de los catalizadores, debido a impurezas en el medio de reacción, se reducen. A pesar de estas ventajas evidentes, sin embargo, la técnica debe abordar ciertos desafíos actualmente asociados a la síntesis microbiana de etanol a partir de CO, especialmente en lo que se refiere a garantizar que la tasa de producción sea competitiva con otras tecnologías. Al usar CO como su fuente de carbono, las bacterias anaerobias descritas anteriormente producen etanol por fermentación, pero también producen al menos un metabolito, por ejemplo, CO², metano, n-butanol y/o ácido acético. La formación de cualquiera de estos metabolitos tiene el potencial de afectar significativamente a la productividad y a la viabilidad económica general de un proceso determinado, ya que el carbono disponible se pierde en el(los) metabolito(s) y la eficiencia de la producción del producto final deseado se ve comprometida. Asimismo, a menos que un metabolito (por ejemplo, ácido acético) por sí solo tenga valor en el momento y lugar del proceso de fermentación microbiana, el mismo puede suponer un problema de eliminación de residuos. Se analizan varias propuestas para abordar la formación de productos distintos del producto final deseado en la fermentación anaerobia de gases que contienen CO para fabricar etanol en los documentos WO2007/117157, WO2008/115080 y W02009/022925. El documento WO2010/064932 se refiere al suministro de medios de fermentación mejorados, que comprenden níquel, a un sistema de fermentación tal que uno o más microorganismos convierten un sustrato que comprende CO en uno o más alcoholes, tales como etanol. En realizaciones particulares, se proporciona un cultivo microbiano con al menos 10 μM de níquel, de manera que aumenta la absorción de CO por el cultivo microbiano y mejora la productividad de etanol.

La tasa de producción de etanol, que es un factor determinante para que un determinado proceso de fermentación sea económicamente atractivo, depende en gran medida de la gestión de las condiciones adecuadas para el crecimiento bacteriano. Por ejemplo, se conoce por el documento WO2010/093262 que el sustrato que contiene CO debe proporcionarse a un cultivo microbiano a una tasa que dé lugar a un crecimiento microbiano óptimo y/o a una producción de metabolitos deseada. Si se proporciona una cantidad insuficiente de sustrato, el crecimiento microbiano se ralentiza y el rendimiento de los productos de fermentación tiende hacia el ácido acético a expensas del etanol. Si se proporciona una cantidad excesiva de sustrato, puede producirse un crecimiento microbiano deficiente y/o muerte celular. En el documento WO2011/002318 se encuentra más información sobre las relaciones entre los parámetros de funcionamiento en estos procesos.

La técnica perteneciente a los procesos biológicos para la producción de etanol a partir de CO y, en particular, de corrientes de residuos que contienen CO, como los efluentes gaseosos emitidos en la producción de acero y en la industria química en general, busca continuamente soluciones que mejoren la economía global del proceso (y, por lo tanto, la competitividad de la industria), y/o que conduzcan a una mayor certidumbre en la adopción de tecnologías relativamente nuevas en una escala industrial. A este respecto, el rendimiento comercial de un cultivo bacteriano determinado puede ser sensible a la fuente específica del sustrato que contiene CO, y, más particularmente, a los tipos y cantidades de impurezas que puedan residir en las corrientes de residuos gaseosas de un operador industrial específico (por ejemplo, productor de acero), además de las variaciones en la composición del gas. La gran inversión que supone un proceso de conversión biológica comercial es un compromiso financiero difícil de asumir, si los riesgos percibidos asociados con un sustrato local que contiene CO no sometido a ensayo y los servicios básicos (por ejemplo, una fuente de agua) se consideran excesivos. Por lo tanto, para que los procesos de conversión biológica para la producción de etanol se conviertan en una realidad comercial, es de gran importancia contar con medios eficientes para lograr la confianza de los clientes/inversores en una tecnología determinada.

Sumario de la invención

La invención se refiere a un método para evaluar la idoneidad de un sustrato que contiene C1 de prueba para su uso en un proceso de conversión biológica de acuerdo con la reivindicación 1, a un método para determinar si un sustrato que contiene C1 de prueba soporta un proceso de conversión biológica de acuerdo con la reivindicación 9 y a una unidad de pruebas de gas de acuerdo con la reivindicación 13. La presente invención está asociada con el descubrimiento de aparatos y métodos asociados para la evaluación eficiente de sustratos que contienen C1, y especialmente para dicha evaluación que se lleva a cabo localmente, o in situ, en una futura instalación para la implementación de un proceso de conversión biológica para la producción de etanol a partir de una fuente de carbono C1. Normalmente, el sustrato que contiene C1 comprende al menos una fuente de carbono C1 seleccionada del grupo que consiste en CO, CO²y CH⁴. Resulta importante señalar que, se ha determinado que la composición precisa de un determinado sustrato que contiene C1 industrial es a menudo difícil de reproducir en una instalación remota (por ejemplo, un laboratorio o un proceso a escala piloto o a escala de demostración), al menos en la medida necesaria para predecir con exactitud el rendimiento comercial. Resulta importante señalar que, sin la suficiente confianza en que un proceso determinado pueda alcanzar sus objetivos de rendimiento, no se pueden justificar los grandes gastos de capital necesarios para la multiplicación de su eficiencia (por ejemplo, diseño e ingeniería del proceso). A este respecto, incluso trazas de ciertos contaminantes (por ejemplo, hidrocarburos o hidrocarburos que contienen heteroátomos) pueden afectar negativamente a un cultivo bacteriano, que es un sistema basado en líquido propenso a extraer dichas moléculas más pesadas del sustrato que contiene C1, permitiendo que dichas moléculas se acumulen en los circuitos de reciclado de líquido interno y externo de un biorreactor. Por otra parte, las fluctuaciones en la composición de gas local son igualmente difíciles de reproducir en una instalación de pruebas externa y, en muchos casos, el alcance de dichas fluctuaciones no puede conocerse o apreciarse sin un acceso directo y local al sustrato que contiene C1. De manera adicional, la idoneidad de otros aspectos que puedan ser significativos para el emplazamiento de una futura instalación comercial de conversión biológica (por ejemplo, una fuente de agua local que se usará en el medio de cultivo bacteriano) debe evaluarse y confirmarse con más detalle, antes de tomar decisiones relativas a la inversión significativas.

Ventajosamente, los aparatos y métodos descritos en el presente documento pueden usarse para identificar y poner solución al hecho que ha causado un rendimiento subóptimo (por ejemplo, productividad de metabolitos y/o utilización de sustratos). El grado en que debe implementarse, o mejorarse, el pretratamiento del sustrato que contiene C1 y/u otros aditivos obtenidos localmente para el proceso, puede determinarse ventajosamente antes de la operación a escala comercial, mejorando la precisión del diseño comercial y las estimaciones de costes asociadas. De manera adicional, una demostración in situ de la eficacia proporciona un importante grado de seguridad tanto al proveedor como al usuario, de un posible proceso de conversión biológica, que funciona con el suministro local (es decir, el real o industrial) de sustrato que contiene C1 y posiblemente de otros aditivos locales.

Las realizaciones particulares de la invención hacen referencia a unidades de pruebas de gas que comprenden dos fases de biorreactor y, en muchos casos, usando sólo dos fases de biorreactor, con suficiente instrumentación, equipo de proceso, y capacidad analítica para evaluar de forma comparativa un sustrato que contiene C1 de prueba, y, fundamentalmente, con limitaciones de tamaño suficientes para permitir su transportabilidad.

En un aspecto, la presente invención proporciona una unidad de pruebas de gas para llevar a cabo los métodos de la invención, que comprende: (a) una primera fase de biorreactor para evaluar el rendimiento de un sustrato que contiene C1 de referencia; (b) una segunda fase de biorreactor para evaluar el rendimiento de un sustrato que contiene C1 de prueba; y (c) una sección analítica configurada para el análisis de los productos tanto gaseosos como líquidos de los biorreactores primero y segundo; en donde la sección analítica está configurada para poder determinar y comparar el rendimiento de los biorreactores primero y segundo, la unidad de pruebas de gas tiene la capacidad de ser alojada en un recipiente que tiene un volumen inferior a aproximadamente 6 m3 y es transportable a múltiples ubicaciones.

La unidad de pruebas de gas tiene la capacidad de ser alojada en una caja que tiene dimensiones de longitud, anchura y altura de menos de aproximadamente 1,8 metros cada una, o menos de aproximadamente 1,6 metros cada una, o menos de 1,3 metros cada una. En ciertas realizaciones, la caja tiene una de las dimensiones de longitud, anchura y altura inferior a aproximadamente 1,6 metros, y las otras dos con dimensiones de longitud, anchura y altura inferiores a aproximadamente 1,3 metros.

La sección analítica del sistema de pruebas de gas puede comprender un analizador de cromatografía de gases (GC) que tenga columnas de cromatografía primera y segunda configuradas, respectivamente, para el análisis de los productos gaseosos y líquidos.

Los biorreactores de las fases de biorreactor primera y segunda pueden comprender cada uno un biorreactor de circuito de circulación. Las fases de biorreactor primera y segunda pueden comprender cada una además circuitos de reciclado externo y bombas de recirculación para reciclar el líquido extraído de los extremos inferiores próximos de los biorreactores a los extremos superiores opuestos próximos de los biorreactores.

La unidad de pruebas de gas puede comprender además un sistema de control de funcionamiento para controlar uno o más parámetros de funcionamiento seleccionados del grupo que consiste en tasa de adición de medio de cultivo reciente, tasa de alimentación de sustrato que contiene C1 gaseoso, temperatura del reactor, y pH del reactor. En ciertas realizaciones, los uno o más parámetros de funcionamiento incluyen pH del reactor, y el sistema de control incluye instrumentación para controlar el flujo de un agente neutralizante básico al biorreactor, en función del pH del reactor medido.

En ciertas realizaciones, la unidad de pruebas de gas comprende un sistema de control de seguridad para suspender el flujo de al menos el sustrato que contiene C1 de prueba o el sustrato que contiene C1 de referencia, en respuesta a una medición de una concentración de C1 ambiente por encima de una concentración umbral.

En un segundo aspecto, la presente invención proporciona un método para evaluar la idoneidad de un sustrato que contiene C1 de prueba para su uso en un proceso de conversión biológica, comprendiendo el método (a) alimentar un sustrato que contiene C1 de referencia a un primer biorreactor que contiene un primer cultivo de un microorganismo fijador de C1; (b) alimentar el sustrato que contiene C1 de prueba a un segundo biorreactor que contiene un segundo cultivo del microorganismo fijador de C1, en donde el sustrato que contiene C1 de prueba es una corriente de residuos que contiene C1 industrial; y (c) analizar los productos tanto gaseosos como líquidos de los biorreactores primero y segundo para determinar el rendimiento de los biorreactores primero y segundo; en donde la idoneidad del sustrato que contiene C1 de prueba se establece a partir de una comparación del rendimiento del primer biorreactor, en relación con el rendimiento del segundo biorreactor. En determinadas realizaciones, al menos una parte de la etapa (a) y de la etapa (b) se llevan a cabo simultáneamente.

En determinadas realizaciones, el microorganismo fijador de C1 es un microorganismo carboxidotrófico del género Clostridium. Preferentemente, el microorganismo fijador de C1 se selecciona del grupo que consiste en Clostridium autoethanogenum, Clostridium Ijungdahlii, y Clostridium ragsdalei.

En una realización determinada, el método comprende alimentar el sustrato que contiene C1 de referencia al segundo biorreactor, antes de alimentar el sustrato que contiene C1 de prueba al segundo biorreactor en la etapa (b).

El sustrato que contiene C1 de prueba puede ser una corriente de gas residual que contiene C1 industrial que ha sido pretratada para eliminar un contaminante. En ciertas realizaciones, el sustrato que contiene C1 de prueba es una corriente de gas industrial sin procesar. En ciertas realizaciones, el método comprende someter a ensayo un sustrato que contiene C1 sin tratar para determinar si el proceso biológico es viable en una corriente de gas residual sin procesar.

En una realización, la etapa de análisis (c) comprende medir las concentraciones de C1 en los productos gaseosos de los biorreactores primero y segundo y medir las concentraciones de etanol y al menos un metabolito más en los productos líquidos de los biorreactores primero y segundo. Adicionalmente, de acuerdo con la invención, al menos uno de los cultivos primero y segundo de un microorganismo fijador de C1 puede comprender un medio de cultivo preparado con, o complementado con, una fuente de agua local. En algunas realizaciones, los resultados de los cultivos primero y segundo se evalúan simultáneamente durante un período de prueba de al menos aproximadamente 7 días.

En un aspecto adicional, la presente invención proporciona un método para determinar si un sustrato que contiene C1 de prueba soporta un proceso de conversión biológica. El método comprende: (a) mantener separados los cultivos primero y segundo de un microorganismo fijador de C1, siendo el mismo microorganismo carboxidotrófico usado en los cultivos primero y segundo, utilizando un sustrato que contiene C1 de referencia como nutriente para producir etanol y al menos un metabolito más; (b) pasar del sustrato que contiene C1 de referencia, como nutriente para el segundo cultivo, a un sustrato que contiene C1 de prueba; (c) evaluar el rendimiento del primer cultivo, en relación con el del segundo cultivo, bajo un mismo conjunto de condiciones operativas diana, pero usando los diferentes sustratos que contienen C1 de referencia y de prueba; (d) en caso de no obtener un déficit de rendimiento mínimo del segundo cultivo en la etapa (c), confirmar que el sustrato que contiene C1 de prueba soporta el proceso de conversión biológica; (e) en caso de obtener el déficit de rendimiento mínimo en la etapa (c), pretratar o mejorar el pretratamiento del sustrato que contiene C1 de prueba para proporcionar un sustrato que contiene C1 de prueba de mayor calidad, en relación con el sustrato que contiene C1 de prueba usado para evaluar el rendimiento en la etapa (c).

En una realización, el método comprende además (f) evaluar el rendimiento del primer cultivo, en relación con el de un tercer cultivo, bajo el mismo conjunto de condiciones operativas diana, pero usando los diferentes sustratos que contienen C1 de referencia y de prueba de mayor calidad; y (g) en caso de no obtener el déficit de rendimiento mínimo del tercer cultivo en la etapa (f), confirmar que el sustrato que contiene C1 de prueba de mayor calidad soporta un proceso de conversión biológica.

En ciertas realizaciones, diferentes fuentes de agua se usan para preparar los cultivos primero y segundo o complementar los cultivos primero y segundo.

Estas y otras realizaciones, aspectos y ventajas relacionados con la presente invención son evidentes a partir de la siguiente descripción detallada.

Breve descripción de los dibujos

Una comprensión más completa de las realizaciones ilustrativas de la presente invención y de las ventajas de la misma puede adquirirse en referencia a la siguiente descripción en consideración de las figuras adjuntas, en las que características similares se identifican mediante números de referencia similares (por ejemplo, biorreactor 100 de la FIG. 1A y biorreactores 100a, 100b de la FIG. 2).

Las FIGS. 1A y 1B representan vistas laterales y posteriores en sección, respectivamente, de unidades de pruebas de gas transportables representativas como se describe en el presente documento.

La FIG. 2 representa una vista en primer plano de biorreactores representativos para su uso en unidades de pruebas de gas como se describe en el presente documento, y proporciona detalles adicionales relativos a su funcionamiento.

La FIG. 3 es un diagrama de flujo que ilustra una metodología representativa, que puede realizarse con unidades de pruebas de gas como se describe en el presente documento, para determinar si un sustrato que contiene C1 de prueba, opcionalmente tras una o más medidas correctoras como se describe en el presente documento (por ejemplo, aumento de su pureza), es adecuado para un proceso de conversión biológica.

Debe entenderse que las FIGS. 1-3 presentan una ilustración de la divulgación y/o de los principios implicados. Con el fin de facilitar la explicación y comprensión, en las FIGS. 1 y 2 se representan equipos simplificados y flujos de proceso, y las dimensiones relativas de los diferentes equipos no están necesariamente dibujadas a escala. Los detalles, incluyendo algunas válvulas, instrumentación y otros equipos y sistemas no esenciales para la comprensión de la divulgación no se muestran. Como es claramente evidente para un experto en la materia que tenga conocimiento de la presente divulgación, los aparatos y métodos para analizar si un determinado sustrato que contiene C1 y/o aditivos locales soportan un proceso de conversión biológica, tendrán configuraciones y componentes determinados, en parte, por su uso específico.

Descripción detallada

La invención está asociada al importante reconocimiento de que un sustrato que contiene C1 de prueba (o local) puede evaluarse eficazmente, para los fines identificados anteriormente, usando sólo una parte seleccionada del equipo que de otro modo se usaría para implementar un proceso de conversión biológica de C1 con una productividad y rendimiento máximos de un producto deseado. El sustrato que contiene C1 comprende normalmente al menos una fuente de carbono C1 seleccionada del grupo que consiste en CO, CO², y CH⁴. Por ejemplo, el sustrato que contiene C1 puede ser un sustrato que contiene CO gaseoso. El sustrato que contiene C1 también puede comprender H²y/o N². Por ejemplo, un sistema de fase de biorreactor paralelo, con biorreactores primero y segundo separados para pruebas comparativas de un gas de prueba y un gas de referencia, pueden proporcionar la información necesaria para confirmar que la alimentación de gas y/o los aditivos disponibles localmente respaldan un proceso comercial, incluso sin alcanzar niveles comerciales de rendimiento (por ejemplo, en términos de títulos de producto líquido etanol). Sólo se requiere un subconjunto de los componentes de biorreactor reales, recipientes de proceso, instrumentación y analizadores, posibilitando que las unidades de pruebas de gas representativas sean alojadas y transportadas (por ejemplo, en la bodega de carga de un avión comercial de reacción 747) a la futura instalación. Se pueden obtener eficiencias particulares, por ejemplo, teniendo sólo dos biorreactores para evaluar los gases de prueba y de referencia, respectivamente, sin dispositivos de distribución interna de reactor, excepto, opcionalmente, dispositivos de distribución de líquido (por ejemplo, pulverizadores) para alimentar líquido a las partes superiores de los biorreactores desde circuitos de reciclado externo. Otras eficiencias pueden obtenerse a partir del uso de cromatografía de gases (GC) para el análisis de los productos tanto gaseosos como líquidos. Todavía más eficiencias se pueden obtener evitando, en cada fase de biorreactor, la separación y el reciclado de un microorganismo fijador de C1. Aprovechando estas y otras eficiencias, las unidades de pruebas de gas pueden ser ventajosamente transportables (por ejemplo, por aire, mar, o tierra) a un lugar remoto de una futura instalación de escala comercial de un proceso de conversión biológica para producir etanol a partir de un sustrato que contiene C1. Las unidades de pruebas de gas incluyen equipos suficientes para la evaluación in situ del sustrato que contiene C1 y de los aditivos del proceso disponibles localmente, como agua, pero sin todos los requisitos de (i) sistemas de reactores necesarios para la maximización de la productividad, y/o (ii) sistemas analíticos e instrumentación para el seguimiento y control exhaustivos de todas las variables del proceso. Tales requisitos no suelen estar alineados con el objetivo de transportabilidad. Ventajosamente, se ha determinado que los resultados cualitativos (por ejemplo, en comparación con una prueba de referencia), a diferencia de los resultados cuantitativos, pueden proporcionar una evaluación significativa para fines de validación de la calidad del gas y/o identificar áreas en las que es necesaria una medida correctora para abordar un déficit de rendimiento.

La presente invención se refiere a las unidades de pruebas de gas que dirigen, y métodos asociados que de otra manera implican, la producción de un producto final deseado, tal como etanol, a partir de la conversión biológica de una fuente de carbono C1 en un sustrato que contiene C1 gaseoso. Las fases de biorreactor primera y segunda de las unidades de pruebas de gas pueden ser alimentadas, por ejemplo, con un sustrato que contiene C1 de referencia (o control) y un sustrato que contiene C1 de prueba (o disponible industrialmente) para la evaluación paralela o simultánea del rendimiento, con el fin de establecer una comparación que proporcione información útil en términos de establecer que un sustrato que contiene C1 de prueba específico es adecuado para un proceso determinado. Cada una de las fases de biorreactor comprende un biorreactor que, durante el funcionamiento, incluye un medio de cultivo líquido que contiene un microorganismo fijador de C1 (cultivo bacteriano). Además del producto final deseado, los procesos de conversión biológica, que tienen lugar en cada una de las fases de biorreactor, pueden generar de manera adicional metabolitos no deseados o menos deseados, que, al igual que el producto deseado (por ejemplo, etanol), pueden detectarse en los productos líquidos extraídos de estas fases. Ejemplos de tales metabolitos son acetato (por ejemplo, en forma de ácido acético) y 2,3-butanodiol. Las expresiones "acetato" o "ácido acético" se refieren al acetato total presente en el medio de cultivo, ya sea en su forma aniónica (disociada) (es decir, como ion acetato o CH³COO-) o en forma de ácido acético molecular libre (CH³COOH), con la relación de estas formas siendo dependiente del pH del sistema. Como se describe a continuación, puede usarse un agente neutralizante básico, tal como hidróxido de amonio acuoso (NH⁴OH) o hidróxido de sodio acuoso (NaOH) para controlar el pH del medio de cultivo en un biorreactor dado (por ejemplo, a un valor de referencia de pH que puede ser cualquier valor de pH específico entre pH=4,5 y pH=8,0), neutralizando el ácido acético formado. Los intervalos de pH representativos en los que se mantienen (o controlan) los biorreactores para llevar a cabo los procesos descritos en el presente documento son generalmente cualquier valor de pH (punto de referencia) dentro del intervalo de aproximadamente 4,0 a aproximadamente 8,0, tal como de aproximadamente 5,0 a aproximadamente 6,5 (por ejemplo, pH=5,0, 5,5 o 6,0).

Bacterias fijadoras de C1 representativas, son las del género Moorella, Clostridia, Ruminococcus, Acetobacterium, Eubacterium, Butyribacterium, Oxobacter, Methanosarcina, Methanosarcina, y Desulfotomaculum.

Un "microorganismo" es un organismo microscópico, especialmente una bacteria, arquea, virus u hongo. El microorganismo de la invención es normalmente una bacteria. Como se usa en el presente documento, la referencia a "microorganismo" debe considerarse que abarca "bacteria".

El microorganismo de la invención puede clasificarse además basándose en características funcionales. Por ejemplo, el microorganismo de la invención puede ser o puede ser derivado de una bacteria fijadora de C1, un anaerobio, un acetógeno, un etanológeno, un carboxidótrofo, y/o un metanótrofo. La Tabla 1 proporciona una lista representativa de microorganismos e identifica sus características funcionales.

1 Acetobacterium woodii puede producir etanol a partir de fructosa, pero no a partir de gas.

2 Se ha informado que Acetobacterium woodii puede crecer con CO, pero la metodología es cuestionable. 3 No se ha investigado si Clostridium magnum puede crecer con CO.

4 Se ha informado que una cepa de Moorella thermoacetica, Moorella sp. HUC22-1, produce etanol a partir de gas.

5 No se ha investigado si Sporomusa ovata puede crecer con CO.

6 No se ha investigado si Sporomusa silvacetica puede crecer con CO.

7 No se ha investigado si Sporomusa sphaeroides puede crecer con CO.

"C1" se refiere a una molécula de un carbono, por ejemplo, CO, CO², CH⁴, o CH³OH. "Oxigenado de C1" se refiere a una molécula de un carbono que también comprende al menos un átomo de oxígeno, por ejemplo, CO, CO², o CH³OH. "Fuente de carbono C1" se refiere a una molécula de un carbono que sirve como fuente de carbono parcial o única para el microorganismo de la invención. Por ejemplo, una fuente de carbono C1 puede comprender uno o más de CO, CO², CH⁴. Preferentemente, la fuente de carbono C1 comprende uno o ambos de CO y CO². Un "microorganismo fijador de C1" es un microorganismo que tiene la capacidad de producir uno o más productos a partir de una fuente de carbono C1. Típicamente, el microorganismo de la invención es una bacteria fijadora de C1. En una realización preferida, el microorganismo de la invención se deriva de un microorganismo fijador de C1 identificado en la Tabla 1.

Un "anaerobio" es un microorganismo que no necesita oxígeno para el crecimiento. Un anaerobio puede reaccionar negativamente o incluso morir si el oxígeno está presente por encima de un cierto umbral. Típicamente, el microorganismo de la invención es un anaerobio. En una realización preferida, el microorganismo de la invención se deriva de un anaerobio identificado en la Tabla 1.

Un "acetógeno" es un microorganismo que produce o tiene la capacidad de producir acetato (o ácido acético) como un producto de la respiración anaerobia. Típicamente, los acetógenos son obligatoriamente bacterias anaerobias que usan la vía de Wood-Ljungdahl como su mecanismo principal para la conservación energética y para la síntesis de la acetil-CoA y productos derivados de la acetil-CoA, tales como acetato (Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784: 1873 1898, 2008). Los acetógenos usan la vía de la acetil-CoA como (1) mecanismo para la síntesis reductora de la acetil CoA a partir de CO², (2) proceso de conservación de energía de aceptación de electrones terminal, (3) mecanismo para la fijación (asimilación) de CO²en la síntesis de carbono celular (Drake, Acetogenic Prokaryotes, En: The Prokaryotes, 3a edición, pág. 354, Nueva York, NY, 2006). Todos los acetógenos de origen natural son fijadores de C1, anaerobios, autótrofos y no metanótrofos. Típicamente, el microorganismo de la invención es un acetógeno. En una realización preferida, el microorganismo de la invención se deriva de un acetógeno identificado en la Tabla 1.

Un "etanológeno" es un microorganismo que produce o tiene la capacidad de producir etanol. Típicamente, el microorganismo de la invención es un etanológeno. En una realización preferida, el microorganismo de la invención se deriva de un etanológeno identificado en la Tabla 1.

Un "autótrofo" es un microorganismo capaz de crecer en ausencia de carbono orgánico. En cambio, los autótrofos usan fuentes de carbono inorgánico, tales como CO y/o CO². Típicamente, el microorganismo de la invención es un autótrofo. En una realización preferida, el microorganismo de la invención se deriva de un autótrofo identificado en la Tabla 1.

Un "carboxidótrofo" es un microorganismo capaz de utilizar CO como única fuente de carbono. Típicamente, el microorganismo de la invención es un carboxidótrofo. En una realización preferida, el microorganismo de la invención se deriva de un carboxidótrofo identificado en la Tabla 1.

Un "metanótrofo" es un microorganismo capaz de utilizar metano como única fuente de carbono y energía. En ciertas realizaciones, el microorganismo de la invención se deriva de un metanótrofo.

De manera más amplia, el microorganismo de la invención puede derivarse de cualquier género o especie identificado en la Tabla 1.

En una realización preferida, el microorganismo de la invención se deriva del grupo de Clostridia que comprende las especies Clostridium autoethanogenum, Clostridiumljungdahlii, y Clostridium ragsdalei. Estas especies fueron notificadas y caracterizadas por primera vez por Abrini, Arch Microbiol, 161: 345-351, 1994 (Clostridium autoethanogenum), Tanner, Int J System Bacteriol, 43: 232-236, 1993 (Clostridium ljungdahlii), y Hulinke, WO 2008/028055 (Clostridium ragsdalei).

Estas tres especies tienen muchas similitudes. En particular, estas especies son todas miembros fijadores de C1, anaerobios, acetógenos, etanológenos y carboxidótrofos del género Clostridium. Estas especies tienen genotipos y fenotipos y modos de conservación de energía y metabolismo fermentativo similares. Por otra parte, estas especies están agrupadas en el grupo I de homología de ARNr de los clostridios con ADN de ARNr 16S que es más del 99 % idéntico, tienen un contenido G C en el ADN de aproximadamente el 22-30 % en moles, son grampositivas, tienen una morfología y un tamaño similares (células en crecimiento logarítmico entre 0,5-0,7 x 3-5 μm), son mesofílicas (crecen óptimamente a 30-37 °C), tienen intervalos de pH similares de aproximadamente 4-7,5 (con un pH óptimo de aproximadamente 5,5-6), carecen de citocromos y conservan energía a través de un complejo de Rnf. También, se ha demostrado la reducción de ácidos carboxílicos en sus correspondientes alcoholes en estas especies (Perez, Biotechnol Bioeng, 110:1066-1077, 2012). Resulta importante señalar que, estas especies también muestran un fuerte crecimiento autótrofo en gases que contienen CO, producen etanol y acetato (o ácido acético) como principales productos de fermentación y producen pequeñas cantidades de 2,3-butanodiol y ácido láctico en determinadas condiciones.

Sin embargo, estas tres especies también tienen varias diferencias. Estas especies se aislaron de diferentes fuentes: Clostridium autoethanogenum de intestino de conejo, Clostridium ljungdahlii de los desechos del gallinero y Clostridium ragsdalei de sedimentos de agua dulce. Estas especies difieren en la utilización de diversos azúcares (por ejemplo, ramnosa, arabinosa), ácidos (por ejemplo, gluconato, citrato), aminoácidos (por ejemplo, arginina, histidina) y otros sustratos (por ejemplo, betaína, butanol). Por otra parte, estas especies difieren en auxotrofía a determinadas vitaminas (por ejemplo, tiamina, biotina). Estas especies tienen diferencias en las secuencias de los ácidos nucleicos y de aminoácidos de los genes y proteínas de la vía de Wood-Ljungdahl, aunque se ha encontrado que la organización general y el número de estos genes y proteínas es el mismo en todas las especies (Kopke, Curr Opin Biotechnol, 22: 320-325, 2011).

Por tanto, en resumen, muchas de las características de Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, o Clostridium ragsdalei no son específicas de esa especie, sino que son más bien características generales de este grupo de miembros fijadores de C1, anaerobios, acetógenos, etanológenos y carboxidótrofos del género Clostridium. Sin embargo, ya que estas especies son, de hecho, distintas, la modificación o manipulación genética de una de estas especies puede no tener un efecto idéntico en otra de estas especies. Por poner un ejemplo, se pueden observar diferencias en el crecimiento, rendimiento o producción del producto.

El microorganismo de la invención puede derivarse también de un aislado o mutante de Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, o Clostridium ragsdalei. Los aislados y mutantes de Clostridium autoethanogenum incluyen JA1-1 (DSM10061) (Abrini, Arch Microbiol, 161: 345-351, 1994), LBS1560 (DSM19630) (WO 2009/064200), y LZ1561 (DSM23693). Los aislados y mutantes de Clostridiumljungdahlii incluyen ATCC 49587 (Tanner, Int J Syst Bacteriol, 43: 232-236, 1993), PETCT (DSM13528, ATCC 55383), ERI-2 (ATCC 55380) (US 5.593.886), C-01 (ATCC 55988) (US 6.368.819), 0-52 (ATCC 55989) (US 6.368.819), y OTA-1 (Tirado-Acevedo, Production of bioethanol from synthesis gas using Clostridium ljungdahlii, PhD thesis, North Carolina State University, 2010). Los aislados y mutantes de Clostridium ragsdalei incluyen PI 1 (ATCC BAA-622, ATCC PTA-7826) (WO 2008/028055).

El microorganismo de la invención puede cultivarse para producir uno o más productos. Por poner un ejemplo, Clostridium autoethanogenum produce o puede genomanipularse para producir etanol (documento WO 2007/117157), acetato (documento WO 2007/117157), butanol (documento WO 2008/115080 y documento WO 2012/053905), butirato (documento WO 2008/115080), 2,3-butanodiol (documento WO 2009/151342), lactato (documento ^wO 2011/112103), buteno (documento WO 2012/024522), butadieno (documento WO 2012/024522), metiletilcetona (2-butanona) (documento WO 2012/024522 y documento WO 2013/185123), etileno (documento WO 2012/026833), acetona (documento WO 2012/115527), isopropanol (documento WO 2012/115527), lípidos (documento w O 2013/036147), 3-hidroxipropionato (3-HP) (documento WO 2013/180581), isopreno (documento WO 2013/180584), ácidos grasos (documento WO 2013/191567), 2-butanol (documento WO 2013/185123), 1,2-propanodiol (documento WO 2014/0369152) y 1-propanol (documento WO 2014/0369152). Además de uno o más productos diana, el microorganismo de la invención también puede producir etanol, acetato y/o 2,3-butanodiol. En ciertas realizaciones, la biomasa microbiana en sí puede considerarse un producto.

Los mismos microorganismos se usan en los biorreactores primero y segundo; sin embargo, se divulga que también es posible usar diferentes microorganismos fijadores de C1 en los diferentes biorreactores.

Los sustratos que contienen C1 representativos y, en particular, los sustratos que contienen C1 de prueba como se describe en el presente documento, incluyen en general cualquier fuente de carbono C1. Una fuente de carbono C1 se refiere a una molécula de un carbono que sirve como fuente de carbono parcial o única para el microorganismo de la invención. Por ejemplo, una fuente de carbono C1 puede comprender uno o más de CO, CO², o CH⁴. Preferentemente, la fuente de carbono C1 comprende uno o ambos de CO y CO². El sustrato puede comprender además otros componentes distintos del carbono, tales como H₂, N₂o electrones.

El sustrato que contiene C1 puede contener una proporción significativa de CO, preferentemente al menos de aproximadamente 5 % a aproximadamente 99,5 % de CO en volumen. Tales sustratos se producen como productos de desecho de procesos industriales como los procesos de fabricación de acero o un proceso de fabricación de productos no férreos. Otros procesos en los que se generan sustratos que contienen Co gaseosos incluyen los procesos de refinado del petróleo, procesos de producción de biocombustibles (por ejemplo, procesos de pirólisis y procesos de hidroconversión de ácidos grasos/triglicéridos), procesos de gasificación de carbón y biomasa, procesos de producción de energía eléctrica, procesos de producción de negro de humo, procesos de producción de amoniaco, procesos de producción de metanol y procesos de fabricación de coque. Una serie de efluentes de la industria química, así como gases de síntesis (que contienen tanto CO como H₂) producidos a partir de diversos sustratos, pueden servir igualmente como posibles sustratos que contienen CO. Ejemplos específicos incluyen efluentes de la producción de fosfato y cromato. Ventajosamente, los residuos (por ejemplo, gases residuales) de estos procesos pueden usarse como se describe en el presente documento para la producción beneficiosa de productos finales útiles como el etanol. El sustrato y/o la fuente de carbono C1 se derivan de un gas residual o de escape obtenido como subproducto de un proceso industrial. También se divulga que una fuente de carbono C1 puede derivarse de un gas residual o de escape obtenido como subproducto de alguna otra fuente, tal como el de los gases de escape de automóviles o la gasificación de la biomasa. En ciertas realizaciones, el proceso industrial se selecciona del grupo que consiste en la fabricación de productos de metales ferrosos, tal como fabricación de una acería, fabricación de productos no ferrosos, procesos de refinado de petróleo, gasificación de carbón, producción de energía eléctrica, producción de negro de humo, producción de amoniaco, producción de metanol y fabricación de coque. En estas realizaciones, el sustrato y/o fuente de carbono C1 puede capturarse a partir del proceso industrial antes de ser liberado a la atmósfera, usando cualquier método conveniente.

El sustrato y/o fuente de carbono C1 puede ser o puede derivarse de gas de síntesis, tal como el gas de síntesis obtenido por gasificación de carbón o residuos de refinería, gasificación de biomasa o material lignocelulósico o reformado de gas natural. En otra realización, el gas de síntesis puede obtenerse de la gasificación de residuos sólidos urbanos o residuos sólidos industriales.

En relación con los sustratos y/o las fuentes de carbono C1, la expresión "derivado de" se refiere a un sustrato y/o fuente de carbono C1 que se modifica o mezcla de alguna manera. Por ejemplo, el sustrato y/o la fuente de carbono C1 pueden tratarse para añadir o eliminar determinados componentes o pueden mezclarse con corrientes de otros sustratos y/o fuentes de carbono C1.

La composición del sustrato puede tener un impacto significativo en la eficiencia y/o el coste de la reacción. Por ejemplo, la presencia de oxígeno (O²) puede reducir la eficacia de un proceso de fermentación anaerobia. Dependiendo de la composición del sustrato, puede ser deseable tratar, depurar o filtrar el sustrato para eliminar cualquier impureza no deseable, tal como toxinas, componentes no deseados o partículas de polvo y/o aumentar la concentración de componentes deseables.

El sustrato generalmente comprende al menos cierta cantidad de CO, tal como aproximadamente 1, 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 o 100 % en moles de CO. El sustrato puede comprender un intervalo de CO, tal como aproximadamente 20-80, 30-70, o 40-60 % en moles de CO. Preferentemente, el sustrato contiene aproximadamente un 40-70 % en moles de CO (por ejemplo, gas de acería o de alto horno), aproximadamente el 20-30 % en moles de CO (por ejemplo, gas de horno de oxígeno básico) o aproximadamente el 15-45 % en moles de CO (por ejemplo, gas de síntesis). En algunas realizaciones, el sustrato puede comprender una cantidad relativamente baja de CO, tal como aproximadamente 1-10 o 1-20 % en moles de CO. El microorganismo de la invención normalmente convierte al menos una parte del CO del sustrato en un producto. En algunas realizaciones, el sustrato comprende nada o sustancialmente nada de CO.

El sustrato puede comprender cierta cantidad de H². Por ejemplo, el sustrato puede comprender aproximadamente 1, 2, 5, 10, 15, 20, o 30 % en moles de H². En algunas realizaciones, el sustrato puede comprender una cantidad relativamente alta de H₂, tal como aproximadamente 60, 70, 80, o 90 % en moles de H². En realizaciones adicionales, el sustrato comprende nada o sustancialmente nada de H².

El sustrato puede comprender cierta cantidad de CO². Por ejemplo, el sustrato puede comprender aproximadamente 1-80 o 1-30 % en moles de CO². En algunas realizaciones, el sustrato puede comprender menos de aproximadamente 20, 15, 10, o 5 % en moles de CO². En otra realización, el sustrato comprender nada o sustancialmente nada de CO².

Aunque el sustrato es normalmente gaseoso, el sustrato también se puede proporcionar en formas alternativas. Por ejemplo, el sustrato se puede disolver en un líquido saturado con un gas que contiene CO usando un generador de dispersión de microburbujas. A modo de ejemplo adicional, el sustrato puede adsorberse sobre un soporte sólido.

Se ha determinado que la composición precisa de un determinado sustrato que contiene C1 industrial es a menudo difícil de reproducir en una instalación remota (por ejemplo, un laboratorio o un proceso a escala piloto o a escala de demostración), al menos en la medida necesaria para predecir con exactitud el rendimiento comercial. Resulta importante señalar que, sin la suficiente confianza en que un proceso determinado pueda alcanzar sus objetivos de rendimiento, no se pueden justificar los grandes gastos de capital necesarios para la multiplicación de su eficiencia (por ejemplo, diseño e ingeniería del proceso). A este respecto, incluso trazas de ciertos contaminantes (por ejemplo, hidrocarburos o hidrocarburos que contienen heteroátomos) pueden afectar negativamente a un cultivo bacteriano, que es un sistema basado en líquido propenso a extraer dichas moléculas más pesadas del sustrato que contiene C1, permitiendo que dichas moléculas se acumulen en los circuitos de reciclado de líquido interno y externo de un biorreactor. Por otra parte, las fluctuaciones en la composición de gas local son igualmente difíciles de reproducir en una instalación de pruebas externa y, en muchos casos, el alcance de dichas fluctuaciones no puede conocerse o apreciarse sin un acceso directo y local al sustrato que contiene C1. De manera adicional, la idoneidad de otros aspectos que puedan ser significativos para el emplazamiento de una futura instalación comercial de conversión biológica (por ejemplo, una fuente de agua local que se usará en el medio de cultivo bacteriano) debe evaluarse y confirmarse con más detalle, antes de tomar decisiones relativas a la inversión significativas.

Se ha demostrado que el uso de sustratos que contienen C1 industriales en un proceso de conversión biológica presenta numerosos retos. La presencia de sustancias distintas de los componentes gaseosos primarios (tales como CO, H², N², CO²) que pueden tener un impacto perjudicial en el proceso de fermentación. De manera adicional, el caudal del gas procedente de un proceso industrial depende de los parámetros de funcionamiento de ese proceso, y no está adaptado para proporcionar una tasa de alimentación de gas volumétrica constante (por ejemplo, en Nm3/h) a un proceso de fermentación corriente abajo. La química del gas en términos de cantidades relativas de cada uno de los constituyentes (tanto componentes primarios como contaminantes) cambia, a menudo rápidamente, con el tiempo, en función de los parámetros de funcionamiento y de las entradas en el proceso industrial corriente arriba.

Quizás el reto más importante para el uso de gases de escape industriales como única materia prima de carbono y energía en un proceso de fermentación de gas para la síntesis de productos sea la presencia de un amplio espectro de contaminantes bactericidas o tóxicos. El impacto negativo de los contaminantes del producto de gas de síntesis producido industrialmente a partir de biomasa gasificada en la fermentación microbiana ha sido bien documentado. Estos gases contienen tanto alquitranes como compuestos nitrogenados que se ha demostrado sistemáticamente que inhiben el crecimiento y la productividad microbianos, especialmente entre los organismos carboxidótrofos que usan CO y H²como única fuente de carbono y energía (Ahmed et al. 2006). Se ha demostrado en varios estudios que el óxido nítrico presente en el gas de síntesis inhibe organismos carboxidotróficos como C. carboxydivorans y C. ragsdalei en concentraciones tan bajas como 40 ppm (Datar et. al. 2004; Lewis et. al. 2006; Ahmed y Lewis, 2007; Kundiyana et. al. 2010. Otros estudios demostraron que los alquitranes compuestos por benceno, tolueno, etilbenceno y p-xileno (todos ellos compuestos presentes en los gases de escape de la siderurgia descritos en la tabla 2) también inhiben la productividad y la viabilidad de los organismos carboxidotróficos (Ahmed et al. 2006; Lewis et. al. 2006).

Por ejemplo, los gases residuales producidos como consecuencia inevitable del proceso de fabricación del acero contienen CO y, en algunos casos, H², y ponen de relieve el reto asociado al uso de los gases de escape industriales como se ha descrito anteriormente. Normalmente, los gases residuales de los procesos de fabricación del acero contienen una cantidad escasa de hidrógeno o ninguna cantidad. Además, los múltiples compuestos contaminantes que se encuentran en estos gases de escape son bien conocidos y han sido documentados (véase la tabla 2). El número y la variedad de contaminantes encontrados en una corriente de gases de escape del acero son ciertamente mucho mayores que los que se informa que están presentes en otros gases industriales, como gas de síntesis derivado de la biomasa. Este aumento tanto en el número como en la variedad de contaminantes supone un reto más importante para un sistema de fermentación. Aunque el efecto "aditivo" de los contaminantes sobre los procesos biológicos es difícil de predecir con exactitud, se prevé que el efecto perjudicial será mucho más grave. Entre los 15 contaminantes más abundantes que pasan al orificio de ventilación o a las chimeneas como parte de los gases de escape del proceso de fabricación del acero se encuentran compuestos como óxidos de nitrógeno, dióxido de azufre, benceno, tolueno, cianuro y compuestos fluorados, cada uno de los cuales se entiende que es tóxico para las bacterias.

Como se ha mencionado anteriormente, se ha descubierto que alquitranes compuestos de benceno, tolueno, etilbenceno y p-xileno tienen un efecto muy perjudicial sobre la viabilidad y productividad de C. carboxydivorans (Lewis et. al. 2006). La toxicidad relativa del benceno, tolueno y xileno para las bacterias anaerobias fue descrita por Payne y Smith (1983). Sin embargo, como se ha señalado anteriormente, estos y otros compuestos están presentes en el gas de acería junto con una variedad de otros compuestos potencialmente tóxicos. El impacto aditivo de metales pesados como el cadmio, níquel y zinc en la toxicidad del tolueno fue descrito por (Amor et. al. 2001). Estos datos demuestran claramente que el rendimiento microbiano en presencia de tolueno se ve afectado de forma significativa y perjudicial por la adición de estos metales pesados individualmente. En los gases de escape de acería, estos metales están presentes en conjunto, lo que cabría esperar que supusiera un desafío aún mayor para el rendimiento y la productividad microbianos.

De forma significativa, es difícil proporcionar una corriente de prueba en un entorno de laboratorio que sea adecuadamente representativa de una corriente de gas industrial. Resulta importante señalar que, incluso en corrientes de gas de industrias similares, los tipos y la cantidad de contaminantes presentes en cada corriente de gas variarán significativamente. Incluso dentro de una sola planta o instalación, la composición de los gases residuales de escape puede variar en función de las condiciones corriente arriba y de la materia prima de origen proporcionada al proceso industrial. De manera adicional, la compresión de los gases modifica normalmente la composición de gas. En particular, a alta presión, los contaminantes tienden a salir de la fase gaseosa. Esto provoca una discrepancia/variación entre el gas de salida en el emplazamiento y la muestra de prueba proporcionada a un laboratorio.

La tabla 2 muestra todas las emisiones a la atmósfera (Fuente puntual Fugitiva1) en kilogramos de la acería BlueScope Steel Port Kembla Steelworks - Port Kembla, NSW, Australia, tal como se recoge en el Inventario de Contaminantes Nacional (NPI, por sus siglas en inglés) (http://www.npi.gov.au). Aquí se detallan los componentes típicos causantes de contaminación de los gases de salida de la acería BlueScope Steel Port Kembla Steelworks -Port Kembla, NSW, Australia.

Tabla 2

continuación

1Las emisiones de fuentes puntuales fluyen hacia un orificio de ventilación o chimenea y se liberan a través de una única fuente puntual a la atmósfera. Ejemplos de ello son el sistema residual de escape de una caldera o un equipo accionado por un motor de combustión estacionario.

Las emisiones fugitivas son emisiones que no se liberan a través de un orificio de ventilación o chimenea. Ejemplos de emisiones fugitivas incluyen emisiones de escape de los vehículos, emisiones de evaporación de los depósitos de combustible de los vehículos, volatilización de vapores de cubas o tanques de almacenamiento de combustibles y otros líquidos orgánicos volátiles, recipientes abiertos, derrames y manipulación de materiales. Emisiones procedentes de las ventilaciones de techo de las líneas de elevación, lumbreras y puertas abiertas de un edificio, fugas de equipos, fugas de válvulas y bridas son otros tipos de emisiones fugitivas.

Como se describe a continuación, un tipo específico de biorreactor que es especialmente útil en las unidades de pruebas de gas y métodos descritos en el presente documento es un reactor de circuito de circulación en el que el sustrato que contiene C1 gaseoso se distribuye normalmente (por ejemplo, rocía) en el fondo de una sección de tubo ascendente, en o cerca del extremo inferior del reactor que contiene el medio de cultivo bacteriano en una fase líquida continua. Las burbujas de gas ascendentes se confinan en la sección de tubo ascendente durante su movimiento ascendente a través de la fase líquida continua, hasta que cualquier gas no consumido y no disuelto se libera en una fase gaseosa continua (es decir, espacio de vapor o espacio de cabeza) por encima del nivel de líquido y extendiéndose hasta el extremo superior del reactor. La circulación de la fase líquida continua en la sección de tubo ascendente puede ser inducida por la parte central de densidad relativamente baja, a través de la cual pasan la mayoría de las burbujas de gas ascendentes, en combinación con la parte periférica (externa) de densidad relativamente alta, con escasa o ninguna retención de gas. Por lo tanto, la circulación de líquido interna puede establecerse mediante un movimiento neto ascendente del líquido en la parte central y un movimiento neto descendente en la parte periférica. Tal y como se describe con mayor detalle más adelante, una fase de biorreactor, que comprende un reactor de circuito de circulación, también puede incluir una circulación de líquido forzada externa al reactor, preferentemente mediante la retirada de líquido del extremo inferior del reactor y la introducción del líquido extraído en el extremo superior del reactor, proporcionando así un flujo gas-líquido a contracorriente en el espacio de cabeza del reactor.

El término "biorreactor", así como cualquier biorreactor que pueda incluirse como parte de una "fase de biorreactor", de una unidad de pruebas de gas no se limita a un reactor de circuito de circulación, sino que incluye más ampliamente cualquier recipiente adecuado, o sección en un recipiente, para mantener un volumen líquido de medio de cultivo con un microorganismo fijador de C1 que pueda usarse para llevar a cabo los procesos biológicos descritos en el presente documento, que también pueden denominarse procesos de fermentación en la medida en que generalmente se llevan a cabo anaeróbicamente. Los tipos particulares de biorreactores pueden incluir cualquier recipiente adecuado para el contacto bifásico (gas-líquido), por ejemplo, reactores de flujo a contracorriente (por ejemplo, con una fase de vapor que fluye hacia arriba y una fase líquida que fluye hacia abajo) o reactores de flujo de corrientes paralelas (por ejemplo, con fases gaseosa y líquida que fluyen hacia arriba). En tales recipientes de contacto bifásico, es posible que la fase líquida sea la fase continua, como en el caso de las burbujas de gas que fluyen a través de una columna móvil de líquido. Por el contrario, es posible que la fase vapor sea la fase continua, como en el caso de un líquido disperso (por ejemplo, en forma de gotas) que fluye a través de un espacio de vapor. Como en el caso de un reactor de circuito de circulación, pueden usarse diferentes zonas de un biorreactor para contener una fase líquida continua y una fase gaseosa continua.

Ejemplos específicos de biorreactores incluyen reactores de tanque agitado continuo (CSTR, por sus siglas en inglés), reactores de células inmovilizadas (ICR por sus siglas en inglés), reactores de lecho percolador (TBR por sus siglas en inglés), reactores de biopelícula de lecho móvil (MBBR por sus siglas en inglés), columnas de burbujas, fermentadores de elevación de gases y reactores de membrana, como los biorreactores de membrana de fibra hueca (HFMBR por sus siglas en inglés). Los biorreactores adecuados pueden incluir mezcladores estáticos, u otros recipientes y/o dispositivos (por ejemplo, torres o tipos de tuberías), configurados para poner en contacto el sustrato que contiene CO gaseoso con el medio de cultivo bacteriano líquido (por ejemplo, con una disolución y cinética de transporte de masa favorable para llevar a cabo la conversión biológica). Las expresiones "pluralidad de biorreactores" o biorreactores que pueden incluirse en una "pluralidad de fases de biorreactor" pretenden incluir biorreactores de más de un tipo, aunque en algunos casos la pluralidad de biorreactores puede ser de un solo tipo (por ejemplo, reactores de circuito de circulación).

Algunas corrientes de proceso adecuadas, parámetros de funcionamiento y equipos para su uso en los procesos biológicos descritos en el presente documento se describen en la publicación de solicitud de patente de ^eE.UU. N.° US2011/0212433.

Ciertas realizaciones se refieren a unidades de pruebas de gas, que comprenden una primera fase de biorreactor para evaluar el rendimiento de un sustrato que contiene C1 de prueba y una segunda fase de biorreactor para evaluar el rendimiento de un sustrato que contiene C1 de referencia. Una sección analítica está configurada para el análisis de los productos tanto gaseosos como líquidos de los biorreactores primero y segundo. La unidad de pruebas de gas se aloja, o al menos tiene la capacidad de ser alojada, en un recipiente con un volumen inferior a aproximadamente 6 m3 (por ejemplo, de aproximadamente 0,5 m3 a aproximadamente 6 m3), normalmente inferior a aproximadamente 3 m3 (por ejemplo, de aproximadamente 1 m3 a aproximadamente 3 m3) y, a menudo, inferior a aproximadamente 2,5 m3 (por ejemplo, de aproximadamente 1,5 m3 a aproximadamente 2,5 m3). En vista de tales limitaciones de tamaño, la unidad de pruebas de gas es transportable a múltiples ubicaciones, p. ej., para evaluar un sustrato que contiene C1 de prueba (o local) y opcionalmente otros aditivos locales, como una fuente de agua local. La unidad de pruebas de gas se aloja, o al menos tiene la capacidad de ser alojada, en una caja u otro recipiente que tenga dimensiones de longitud, anchura y altura inferiores a aproximadamente 1,8 metros cada una (por ejemplo, estando cada una de estas dimensiones dentro de un intervalo de aproximadamente 1,0 metros a aproximadamente 1,8 metros), o inferior a aproximadamente 1,6 metros cada una (por ejemplo, estando cada una de estas dimensiones dentro de un intervalo de aproximadamente 1,0 metros a aproximadamente 1,6 metros). Dicha caja u otro recipiente puede tener una de sus dimensiones de longitud, anchura y altura siendo inferiores a aproximadamente 1,6 metros (por ejemplo, dentro de un intervalo de aproximadamente 1,0 metros a aproximadamente 1,6 metros), y las otras dos dimensiones siendo inferiores a 1,3 metros (por ejemplo, dentro de un intervalo de aproximadamente 0,8 metros a aproximadamente 1,6 metros).

Otras realizaciones se refieren a métodos para evaluar la idoneidad de un sustrato que contiene C1 de prueba para su uso en un proceso de conversión biológica. Los métodos comprenden (a) alimentar un sustrato que contiene C1 de referencia a un primer biorreactor (de referencia) que contiene un primer cultivo de un microorganismo fijador de C1 y (b) alimentar el sustrato que contiene C1 de prueba a un segundo biorreactor (de prueba) que contiene un segundo cultivo del microorganismo fijador de C1, en donde el sustrato que contiene C1 de prueba es una corriente de residuos que contiene C1 industrial. Los métodos comprenden además (c) analizar los productos tanto gaseosos como líquidos de los biorreactores primero y segundo para determinar el rendimiento de los biorreactores primero y segundo. La idoneidad del sustrato que contiene C1 de prueba se establece a partir de una comparación del rendimiento del primer biorreactor, en relación con el rendimiento del segundo biorreactor. Preferentemente, al menos una parte de las etapas (a) y (b) anteriores se llevan a cabo simultáneamente (es decir, al menos una parte de estas etapas se solapa en el tiempo). Típicamente, las etapas (a) y (b) se llevan a cabo simultáneamente (o al menos sustancialmente de manera simultánea), durante un período de funcionamiento simultáneo, o período de prueba, de varios días (por ejemplo, al menos aproximadamente 3 días, tal como de aproximadamente 3 a aproximadamente 21 días; al menos aproximadamente 5 días, tal como de aproximadamente 5 días a aproximadamente 21 días; o al menos aproximadamente 7 días, tal como de aproximadamente 7 días a aproximadamente 14 días), con el fin de evaluar el rendimiento de los cultivos de microorganismos en la realización del proceso de conversión biológica. De acuerdo con una realización, por ejemplo, la totalidad de la duración de la etapa (b), en la que el sustrato que contiene C1 de prueba se alimenta al segundo biorreactor, puede estar abarcada por la duración de la etapa (a), en la que el sustrato que contiene C1 de referencia se alimenta al primer biorreactor. Esto ocurrirá, por ejemplo, en el caso de comenzar la operación de tanto los biorreactores primero como segundo usando el sustrato que contiene C1 de referencia, seguido del cambio de la alimentación al segundo biorreactor del sustrato que contiene C1 de referencia al sustrato que contiene C1 de prueba. En realizaciones representativas, por lo tanto, los métodos pueden comprender además la alimentación del sustrato que contiene C1 de referencia al segundo biorreactor, antes de la etapa (b).

Además de evaluar los sustratos que contienen C1 de prueba, los métodos representativos pueden evaluar aditivos locales, como una fuente de agua local, usando los aparatos y métodos descritos en el presente documento, determinando o evaluando el rendimiento comparativo. En el caso de la evaluación de la calidad del agua, por ejemplo, pueden usarse diferentes fuentes de agua para preparar y/o complementar (por ejemplo, con medio de cultivo reciente) los cultivos bacterianos primero y segundo. De acuerdo con una realización, las condiciones locales pueden evaluarse usando una fuente de agua local (por ejemplo, agua de proceso local o agua potable local) para preparar y complementar (por ejemplo, en el medio de cultivo reciente añadido) el cultivo bacteriano del segundo biorreactor, en combinación con la alimentación del sustrato que contiene C1 de prueba a este cultivo. En otra realización, puede usarse la misma fuente de agua local para preparar y complementar los cultivos bacterianos de ambos biorreactores, de forma que el sustrato que contiene C1 de prueba en sí pueda evaluarse con respecto a un valor de referencia usando la misma fuente de agua. En otras realizaciones más, el mismo sustrato que contiene C1 (por ejemplo, ya sea el sustrato que contiene C1 de referencia o de prueba) puede alimentar ambos biorreactores, con el fin de evaluar el efecto de diferentes fuentes de agua solamente (por ejemplo, una fuente de agua de proceso local o una fuente de agua potable local, en comparación con una fuente de agua purificada como el agua destilada).

Otras realizaciones más se refieren a métodos para determinar si un sustrato que contiene C1 de prueba soporta un proceso de conversión biológica. Los métodos comprenden (a) mantener separados los cultivos primero y segundo de un microorganismo fijador de C1, siendo el mismo microorganismo carboxidotrófico usado en los cultivos primero y segundo, cada uno utilizando un sustrato que contiene C1 de referencia como nutriente para producir etanol y al menos un metabolito más y (b) pasar del sustrato que contiene C1 de referencia, como nutriente para el segundo cultivo, a un sustrato que contiene C1 de prueba. Los métodos comprende además (c) evaluar el rendimiento del primer cultivo, en relación con el del segundo cultivo, bajo las mismas condiciones operativas diana (por ejemplo, puntos de referencia operativos de parámetros de funcionamiento controlados automática y/o manualmente, por ejemplo, el pH del biorreactor en algunos casos), pero usando los diferentes sustratos que contienen CO de referencia y de prueba. Los métodos comprenden además (d) en caso de no obtener un déficit de rendimiento mínimo (o desplazamiento) del segundo cultivo en la etapa (c), confirmar que el sustrato que contiene C1 de prueba soporta el proceso de conversión biológica. Los métodos comprenden además (e) en caso de obtener el déficit de rendimiento mínimo, o un déficit de rendimiento mayor, en la etapa (c), pretratar, o mejorar el pretratamiento existente, del sustrato que contiene C1 de prueba para proporcionar un sustrato que contiene C1 de prueba de mayor calidad, en relación con el sustrato que contiene C1 de prueba usado para evaluar el rendimiento en la etapa (c).

En los métodos divulgados adicionalmente, la etapa (e) de los métodos anteriores puede comprender una medida correctora distinta de la mejora de la calidad del sustrato que contiene C1 de prueba mediante pretratamiento o mejora del pretratamiento existente. Dicha medida correctora puede, por ejemplo, incluir la mejora de la calidad de un aditivo local, como una fuente de agua local, o sustituirlo de otro modo por un aditivo de mayor calidad, por ejemplo, agua potable local por agua de proceso local. Otras medidas correctoras pueden incluir ajustes de las condiciones de funcionamiento, como la temperatura del biorreactor, la presión y/o el pH. Cualquier tipo de medida correctora puede ir acompañada de la reinoculación del segundo biorreactor con un cultivo bacteriano (por ejemplo, un tercer cultivo), seguido de la evaluación del rendimiento del primer cultivo (u otro cultivo que use el sustrato que contiene C1 de referencia como nutriente, u otra condición de referencia) en relación con el del cultivo reinoculado para analizar la medida correctora (por ejemplo, bajo el mismo conjunto de condiciones operativas diana, pero usando los diferentes sustratos que contienen C1 de referencia y de prueba de mayor calidad, y/o usando el aditivo de referencia y de mayor calidad diferente, y/o usando una condición operativa ajustada). En caso de no obtenerse el déficit de rendimiento mínimo del cultivo reinoculado (por ejemplo, el tercer cultivo), entonces los métodos pueden comprender además confirmar que la medida correctora (por ejemplo, el sustrato que contiene C1 de prueba de mayor calidad, y/o el aditivo de mayor calidad, y/o la condición operativa ajustada) soporta el proceso de conversión biológica. De esta forma, puede evaluarse una serie de medidas correctoras (por ejemplo, sustrato que contiene C1 progresivamente más purificado), por ejemplo, de forma secuencial, usando las unidades de pruebas de gas descritas en el presente documento. De acuerdo con algunas realizaciones, los métodos de ensayo/evaluación pueden completarse cuando se establece/confirma que al menos una calidad de sustrato que contiene C1 de prueba, calidad de aditivo, y/o conjunto de condiciones operativas soportan el proceso de conversión biológica.

La FIG. 1A representa una vista en corte lateral de una unidad de pruebas de gas 1 representativa que tiene tanto una sección trasera "húmeda" o que contiene la fase de biorreactor 200 y una sección frontal "seca" o analítica 300. Preferentemente, estas secciones 200, 300 están separadas por una barrera, tal como una división vertical 250 que impide o al menos dificulta que los entornos ambientales que rodean a los equipos alojados en estas secciones se entremezclen. Un biorreactor 100 representativo de una fase de biorreactor en la sección 200 tiene un volumen de reactor generalmente en el intervalo de aproximadamente 0,25 a aproximadamente 5 litros y, a menudo, de aproximadamente 1 a aproximadamente 3 litros. Una longitud típica de un biorreactor, que contiene este volumen del reactor (es decir, que contiene el contenido de las fases gaseosa y líquida del reactor), es de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 1,5 metros. Normalmente, la sección que contiene el biorreactor 200 incluirá dos fases de biorreactor separadas, como resulta más evidente en la FIG. 1B, para la evaluación simultánea del rendimiento de tanto los sustratos que contienen CO de referencia como de prueba.

Una fase de biorreactor en la sección 200 puede incluir además un circuito de reciclado de líquido externo 25 y una bomba de reciclado (o recirculación) externo asociada 30 para mejorar la mezcla/uniformidad en un biorreactor 100 dado y/o mejorar la tasa de transferencia de masa de vapor-líquido. Mediante el circuito de reciclado de líquido externo 25, el producto líquido, incluyendo un medio de cultivo y un microorganismo fijador de C1, puede extraerse de una sección inferior (es decir, próxima a un extremo inferior) del biorreactor 100 (por ejemplo, por debajo de un dispositivo de distribución de gas, como un tubo rociador y/o por debajo de una entrada de líquido o una salida de líquido) y reciclarse externamente a una sección superior (es decir, próxima a un extremo superior opuesto) del biorreactor 100 (por ejemplo, por encima de una interfaz gas/líquido que demarca un límite entre una zona de fase gaseosa continua y una zona de fase líquida continua). Como se ha descrito anteriormente, el circuito de reciclado de líquido externo 25 funciona preferentemente sin la complejidad añadida que requiere la separación y reciclado del microorganismo fijador de C1, incluyendo los sistemas de filtración por membrana y los procedimientos de limpieza asociados. La bomba de reciclado de líquido externo 30 proporciona la circulación de líquido externa a la tasa deseada, por ejemplo, a una relación óptima entre el uso de energía y la mejora de la tasa de transferencia de masa. Otros componentes asociados con el montaje y control del biorreactor 100 pueden incluirse dentro de la sección que contiene la fase de biorreactor 200, por ejemplo la estantería 201 y equipos adicionales externos al biorreactor 100, como los requeridos para el control de la temperatura del reactor (por ejemplo, cinta calefactora y/o un ventilador para aumentar o disminuir la temperatura del biorreactor 100, según sea necesario).

La sección analítica 300 incluye un analizador de cromatografía de gases (GC) 301, que incluye columnas de cromatografía primera y segunda 302a, 302b, configuradas, respectivamente, para el análisis de los productos gaseosos y líquidos obtenidos de la fase de biorreactor 10. Tal configuración difiere del uso convencional de cromatografía líquida de alta presión (HPLC) para el análisis de concentraciones de metabolitos en productos líquidos. Aunque las realizaciones de la invención incluyen el uso de HPLC para el análisis de productos líquidos, se ha determinado que el espacio se conserva ventajosamente si los requisitos analíticos totales de la unidad de pruebas de gas se consolidan en un solo analizador de GC. Generalmente, las columnas usadas para el análisis de los productos gaseosos y líquidos contienen distintos tipos de fase estacionaria (por ejemplo, una resina) para realizar las separaciones cromatográficas deseadas. Otros equipos dentro de la sección analítica 300 pueden incluir un generador de aire de alta pureza (generador de "aire cero", no mostrado) para su uso como fuente de gas inicial para el analizador de GC 301, componentes eléctricos encerrados 303, y software operativo con la interfaz de visualización necesaria 304 (por ejemplo, un ordenador), y una caja para uso general 305. También puede incluirse un sistema de comunicación por satélite 315, para transferir datos desde la unidad de pruebas de gas 1, especialmente cuando se usa en un futuro lugar de instalación con un servicio de comunicación deficiente o poco fiable, a una segunda instalación que puede estar alejada del emplazamiento (por ejemplo, al menos 160,93 km (100 millas), al menos 1609,34 km (1.000 millas), o incluso al menos 8046,70 km (5.000 millas), del emplazamiento). Por ejemplo, la segunda instalación puede ser el desarrollador o licenciante del proceso de conversión biológica, tener un interés en el funcionamiento de la unidad de pruebas de gas en tiempo real. Por lo tanto, el sistema de comunicación por satélite 315 puede transmitir, a la segunda instalación, información destinada a proporcionar instrucciones de funcionamiento relativas a la unidad de pruebas de gas 1, tales como ajustes recomendados de los parámetros de funcionamiento o cambios en, o la adición de, ciertas etapas de procesamiento (por ejemplo, pretratamiento del gas). De acuerdo con otras realizaciones, el sistema de comunicación por satélite 315 puede permitir el control directo del funcionamiento de la unidad de pruebas de gas 1, incluyendo los diversos parámetros de funcionamiento descritos en el presente documento. Otros componentes auxiliares tales como cajones inferiores 306, bancos (no mostrados), y/o un ventilador de rejilla (no mostrado), también pueden incluirse en la sección analítica 300.

Como se muestra en la FIG. 1A, los componentes de la unidad de pruebas de gas 1 están alojados en el recipiente 500, lo que la hace fácilmente transportable a una ubicación remota para la evaluación in situ de un sustrato que contiene C1 específico. Esta transportabilidad evita ventajosamente las imprecisiones potencialmente engañosas (y costosas) inherentes a los intentos de reproducir corrientes de gas comerciales, tanto en términos de composición como de fluctuaciones en la composición, en el emplazamiento de un laboratorio fijo, planta piloto o unidad de demostración. La representación de un humano de tamaño medio 600 proporciona una representación de las dimensiones típicas del recipiente 500. En la parte superior que cubre la sección analítica 300, el recipiente 500 puede tener una conexión, como una conexión de bisagra 550 para abrir el recipiente con el fin de permitir un mejor acceso al equipo con la sección analítica 300. Debe apreciarse que el recipiente 500 no necesita encerrar completamente la unidad de pruebas de gas 1, y las aberturas, como las necesarias para el funcionamiento de los extractores, pueden proporcionarse en el recipiente 500. En la medida en que el recipiente 500 incluya áreas abiertas o expuestas (o áreas que puedan abrirse), por lo demás, la unidad de pruebas de gas 1 tiene al menos la capacidad de ser alojada en un recipiente completamente cerrado con dimensiones como se ha descrito anteriormente. Como se muestra en las FIG.

1A y 1B, el recipiente 500 puede transportarse en palés 575 y desplazarse distancias relativamente cortas mediante una carretilla elevadora, acoplándose a las aberturas de recepción de la carretilla elevadora 590.

La vista en corte posterior de la FIG. 1B ilustra dos biorreactores 100a, 100b, de respectivas fases de biorreactor 10a, 10b, para evaluar el rendimiento de los sustratos que contienen C1 de referencia y de prueba, respectivamente. Cada uno de estos biorreactores puede estar equipado con circuitos de reciclado de líquido externo 25, como se ha descrito anteriormente con respecto a la FIG. 1A. Por lo tanto, la FIG. 1B proporciona una vista más completa de la sección "húmeda" o que contiene la fase del biorreactor 200. Además de, como alternativa al, sistema de control operativo usado para regular la temperatura del reactor (descrito anteriormente), otros sistemas de control de funcionamiento pueden estar, al menos en parte, dentro de la sección 200, aunque el software de instrumentación asociado a los circuitos de control de realimentación puede incluirse preferentemente dentro de la sección analítica 300. Estos sistemas de control de funcionamiento adicionales pueden usarse para controlar parámetros de funcionamiento como tasa de adición de medio de cultivo reciente, tasa de alimentación del sustrato que contiene C1 gaseoso y pH del reactor. En el caso del control de la tasa de adición de tensioactivo, pueden usarse bombas de tasa variable 202a, 202b (por ejemplo, bombas de jeringa) para alimentar de forma independiente un tensioactivo a los biorreactores 100a, 100b. En el caso de controlar la tasa de alimentación del sustrato que contiene C1 gaseoso, pueden usarse válvulas de control de flujo apropiadas, que se dimensionan en función del caudal de gas deseado y de la presión prevista corriente arriba de la válvula (presión de suministro) y corriente abajo de la válvula (presión de funcionamiento). En el caso del control del pH del reactor, la cantidad de un agente neutralizante básico introducido en una fase de biorreactor (por ejemplo, en el circuito de reciclado 25, mostrado en la FIG. 1A) puede controlarse con bombas de tasa variable. Un sistema representativo de control de pH se describe en mayor detalle con respecto a la FIG. 2.

Como se muestra en la FIG. 1B, se incluyen un total de seis bombas, con tres de estas bombas 206a siendo usadas para transportar el agente neutralizante básico y otros líquidos de proceso (Na²S, medios, etc.) al primer biorreactor 100a, y las otras tres bombas 206b siendo usadas para transportar tales líquidos al segundo biorreactor 100b. También alojados dentro de la sección que contiene el biorreactor 200 se encuentran pantallas de visualización y controladores relacionados con los parámetros de funcionamiento asociados con cada fase de biorreactor, incluyendo la pantalla de visualización/controladores de caudal de sustrato que contiene CO 207a, 207b, pantalla de visualización/controladores de caudal de medio reciente 208a, 208b, y pantalla de visualización/controladores de temperatura del reactor 209a, 209b. Estas pantallas de visualización/controladores pueden incluirse en un panel abatible (no mostrado) para facilitar el acceso/visualización del operador. Como se ha descrito anteriormente con respecto al uso de un sistema de comunicación por satélite en la sección analítica, en una realización alternativa, el sistema de comunicación por satélite 315 también puede estar presente en la sección que contiene el biorreactor 200, con la misma funcionalidad descrita anteriormente.

Como se ilustra adicionalmente en la FIG. 1B, el equipo dentro de la sección que contiene el biorreactor 200 incluye el asociado con la manipulación directa de las alimentaciones que se introducen en, y los productos que se extraen de, los biorreactores 100a, 100b. Ejemplos de un equipo de este tipo son los recipientes de medios recientes 203a, 203b y recipientes de residuos de productos líquidos 204a, 204b y sus conexiones asociadas a los biorreactores 100a, 100b. Otros ejemplos de equipos de esta sección son los burbujeadores 205a, 205b que pueden servir para diversos fines. Por ejemplo, en una realización particular, cada biorreactor 100a, 100b puede tener una serie de dos o más burbujeadores en comunicación fluida con los productos gaseosos de estos reactores. Es posible usar uno o más burbujeadores vacíos directamente corriente abajo de cada biorreactor como medida de protección contra el desbordamiento de líquido de los biorreactores. Uno o más burbujeadores llenos de fluido pueden usarse corriente abajo de uno o más burbujeadores vacíos para proporcionar una fuente de contrapresión para desviar el producto gaseoso a la GC, cuando se va a analizar una muestra de gas. La sección que contiene el biorreactor 200 puede incluir además un extractor y orificios de ventilación (no mostrados) para permitir la circulación de aire puro en esta sección. Esto puede dificultar o impedir la acumulación de la fuente de carbonos C1 (por ejemplo, CO, CO², CH⁴) en esta sección, en caso de fuga, a niveles inseguros desde el punto de vista de un riesgo para la salud o riesgo de explosión. A este respecto, un sistema de control de seguridad, que comprende un detector de gas C1 210 (por ejemplo, detector de CO), también puede incluirse en la sección que contiene el biorreactor 200. El sistema de control de seguridad puede estar configurado para anular uno o varios, por ejemplo, todos, los sistemas de control de funcionamiento descritos anteriormente (por ejemplo, para controlar la tasa de alimentación del sustrato que contiene C1 gaseoso). Por ejemplo, el sistema de control de seguridad puede suspender el flujo del sustrato que contiene C1 de prueba y/o el sustrato que contiene C1 de referencia, y preferentemente ambos, en respuesta a una medición de una concentración de C1 ambiente por encima de una concentración umbral (por ejemplo, una concentración umbral de alarma).

La FIG. 2 proporciona más detalles sobre el funcionamiento de los biorreactores 100a, 100b, usados para la evaluación comparativa del rendimiento de los sustratos que contienen C1 de referencia y de prueba, respectivamente. De acuerdo con los procesos representativos, estos sustratos que contienen C1 se alimentan a las fases de biorreactor a través de las entradas de gas 12a, 12b situadas cerca de los extremos inferiores de los biorreactores que se extienden verticalmente 100a, 100b de cada fase de biorreactor. Por ejemplo, las entradas de gas pueden extenderse en sus respectivos biorreactores dentro del fondo al 25 %, y preferentemente dentro del fondo al 10 %, de la longitud de sus respectivos biorreactores. Las entradas de gas se extenderán normalmente dentro de sus respectivos biorreactores, a dispositivos de distribución de gas que pueden colocarse en el centro de los biorreactores a una altura que corresponde generalmente a estos porcentajes de la longitud del reactor. Los dispositivos de distribución de gas particulares incluyen rociadores 14a, 14b con los que las entradas de gas pueden estar en comunicación fluida, cerca de sus primeros extremos respectivos. Los productos gaseosos, incluyendo la fuente de carbono C1 no convertida y cualquier impureza gaseosa del sustrato que contiene C1 (por ejemplo, H²), que no se utilizan en la reacción de bioconversión, se extraen de cada biorreactor y salen a través de las salidas de gas 16a, 16b situadas cerca de los extremos superiores de los biorreactores, en oposición a los extremos inferiores. Las salidas de gas pueden extenderse en sus respectivos biorreactores dentro de la parte superior al 25 %, y preferentemente dentro de la parte superior al 10 %, de la longitud de sus respectivos biorreactores o, de lo contrario, los productos gaseosos pueden extraerse de la parte superior de sus respectivos biorreactores, sin que las salidas de gas se extiendan en absoluto dentro de sus respectivos biorreactores.

El producto líquido (o "caldo") puede reciclarse a través de circuitos de reciclado de líquido externo 25a, 25b, por ejemplo, mediante bombeo, usando bombas de reciclado de líquido 30a, 30b, de la sección inferior de los biorreactores 100a, 100b, de donde se extrae el producto líquido, a las secciones superiores de los biorreactores (por ejemplo, hasta dentro de la parte superior al 10 % de la longitud de los biorreactores 100a, 100b y al dispositivo o dispositivos de distribución de líquido superiores, como los pulverizadores 110a, 110b a través de los cuales se introduce el producto líquido en una zona de fase gaseosa continua. Este líquido entra entonces en contacto con el gas que se desprende en las interfaces gas/líquido 22a, 22b y continúa fluyendo hacia arriba (en masa) a través de la zona de fase gaseosa continua. De esta forma, los biorreactores 100a, 100b funcionan con flujos de gas y líquido a contracorriente (gas que fluye hacia arriba y líquido que fluye hacia abajo) en esta zona, que está dispuesta por encima de la zona de fase líquida continua, que funciona con circulación de líquido interna como se ha descrito anteriormente.

Al definir las ubicaciones de las diversas características con respecto a la "longitud del reactor", esta longitud se refiere a la de la sección que contiene el contenido del reactor (una mezcla de reactivos y productos de reacción), comúnmente considerado como el "volumen del reactor", o "volumen de trabajo del reactor" y esta longitud no incluye las líneas de proceso (por ejemplo, líneas de entrada de alimentación o líneas de salida de producto) que pueden extenderse por encima o por debajo del volumen del reactor, o secciones de una columna u otro recipiente que aloje un reactor pero que no contenga ningún contenido del reactor. Por ejemplo, en el caso de un reactor cilíndrico, la longitud del reactor se refiere a la longitud del eje del cilindro. La "parte inferior al 10 %" de la longitud del reactor se refiere a un intervalo de alturas, que comienza en la parte inferior del reactor y se extiende hacia arriba a lo largo del 10 % de la longitud del reactor. La "parte superior al 10 %" de la longitud del reactor se refiere a un intervalo de alturas, que comienza en la parte superior del reactor y se extiende hacia abajo durante el 10 % de la longitud del reactor.

Los biorreactores 100a, 100b incluyen cada uno entradas de líquido 18a, 18b, para la introducción de medio de cultivo reciente y salidas de líquido 20a, 20b para extraer los productos líquidos de los reactores, que pueden muestrearse para determinar las concentraciones de etanol y otros metabolitos, así como las concentraciones del microorganismo fijador de C1, si se desea. La transferencia de medio de cultivo reciente a, y producto líquido (o "caldo") de, cada uno de los biorreactores 100a, 100b, a través de las entradas y salidas 18a, 18b, 20a, 20b, puede producirse a través de tubos abiertos de pequeño calibre (por ejemplo, con diámetros interiores de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 6 mm) en comunicación fluida con estas entradas y salidas. Los productos líquidos, extraídos de los biorreactores 100a, 100b, pueden pasar a, y opcionalmente extenderse por encima de, la altura H, correspondiente al nivel de líquido sin gas de trabajo (es decir, el nivel de líquido que existiría sin retención de gas). Es decir, la elevación más alta E a la que se extiende el producto líquido de la fase final puede estar a la altura H o por encima de ella. La altura H puede ser ajustable, y puede corresponder sustancialmente a la altura H de los disyuntores tipo sifón 75a, 75b u otro tipo de punto de derivación de líquido. En la realización de la FIG. 2, por lo tanto, las salidas de producto líquido 20a, 20b están en comunicación fluida con los disyuntores tipo sifón 75a, 75b que son ajustables en altura, en relación con los biorreactores 100a, 100b. La elevación E y la altura H pueden regularse para regular los niveles de líquido o las cargas hidráulicas, es decir, los niveles de las interfaces gas/líquido 22a, 22b en sus respectivos biorreactores 100a, 100b, de forma independiente.

En la realización específica representada en la FIG. 2, las entradas de líquido 18a, 18b y las salidas de líquido 20a, 20b se sitúan preferentemente en una sección inactiva por debajo de las respectivas entradas de gas 12a, 12b y los rociadores 14a, 14b, para permitir que el líquido sea alimentado a, y extraído de, esta sección o ubicación del reactor de una determinada fase de biorreactor. También es posible, sin embargo, que las entradas y salidas se coloquen en otros lugares a lo largo de la longitud de sus respectivos biorreactores, dependiendo de las ubicaciones deseadas para la alimentación y extracción de productos líquidos. En una realización alternativa, por ejemplo, las salidas de líquido pueden situarse en o cerca de los niveles de las interfaces gas/líquido 22a, 22b, por ejemplo, para proporcionar un control del nivel de líquido basado en el desbordamiento a la altura de la extracción de líquido.

Convenientemente, los circuitos de reciclado de líquido externo 25a, 25b pueden proporcionar ubicaciones de muestreo/análisis de líquido del biorreactor, y también pueden configurarse para el control del biorreactor. Por ejemplo, un agente neutralizante básico (por ejemplo, una base acuosa como una solución de NFLOH o una solución de NaOH) puede añadirse a estos circuitos de reciclado a través de las entradas de agente neutralizante básico 35a, 35b como parte de un sistema de control de funcionamiento para controlar el pH del reactor. El sistema operativo puede incluir además instrumentación para controlar el flujo del agente neutralizante básico, en función de un pH del reactor medido, y puede incluir más específicamente circuitos de control de retroalimentación adecuados asociados con cada uno de los biorreactores 100a, 100b. Dichos circuitos de control comprenden, por ejemplo, analizadores de pH 40a, 40b que miden (por ejemplo, de forma continua o intermitente) el valor de pH del líquido del biorreactor dentro de los circuitos de reciclado de líquido externo 25a, 25b. Dichos circuitos de control también incluyen el hardware necesario (por ejemplo, válvulas de control o bombas de alimentación de tasa variable, no mostrados) y software de instrumentación (por ejemplo, programas informáticos) para comparar el valor de pH medido con un valor de punto de referencia para un biorreactor determinado y, a continuación, controlar el flujo de agente neutralizante básico para alcanzar o mantener el punto de referencia.

Por lo tanto, los circuitos de reciclado externo de los biorreactores 100a, 100b pueden estar en comunicación fluida con las respectivas entradas de neutralización básica 35a, 35b y comprender instrumentación para controlar independientemente el pH dentro de estos biorreactores. Los circuitos de reciclado de líquido externo 25a, 25b pueden incluir instrumentación asociada al control de otros parámetros de funcionamiento, como la temperatura del reactor. Por ejemplo, los transmisores de temperatura que miden (por ejemplo, continua o intermitentemente) la temperatura del líquido dentro de los circuitos de reciclado de líquido externo, con dichas temperaturas siendo representativas de las temperaturas de funcionamiento de los biorreactores, pueden usarse para regular el funcionamiento de la cinta calefactora y/o de un ventilador, descritos anteriormente, para controlar la temperatura del reactor. Adicionalmente, los circuitos de reciclado de líquido externo 25a, 25b pueden incluir otras entradas de líquido 45a, 45b para introducir otros diluyentes líquidos, reactivos (por ejemplo, tensioactivos), y/o nutrientes, a los biorreactores 100a, 100b independientemente a la misma tasa o a tasas variables.

Las fases de biorreactor 10a, 10b pueden, por tanto, tener variables operativas de proceso controlables independientemente, cuyo control puede implicar el muestreo/análisis del producto líquido del biorreactor en los circuitos de reciclado de líquido externo 25a, 25b, como se ha descrito anteriormente, y/o la introducción de medio de cultivo reciente, agente neutralizante básico, y/u otros líquidos de proceso a través de cualquiera de las entradas 18a, 18b, 35a, 35b, 45a, 45b. Las variables representativas de funcionamiento del proceso incluyen la tasa de adición de medio de cultivo reciente, tasa de alimentación de sustrato que contiene C1 gaseoso, temperatura del reactor, pH del reactor, y combinaciones de los mismos. De acuerdo con otras metodologías de control ilustrativas, (1) el flujo del sustrato que contiene C1 (por ejemplo, el flujo de sustrato que contiene C1 de referencia a la fase de biorreactor 10a y/o el flujo de sustrato que contiene C1 de prueba a la fase de biorreactor 10b) puede controlarse en función del pH del reactor medido, (2) el flujo de agente neutralizante básico a una o ambas fases de biorreactor 10a, 10b puede controlarse en función de una concentración de metabolito ácido medida (por ejemplo, acetato) en el producto líquido del biorreactor correspondiente, y/o (3) el flujo de medio de cultivo reciente a una o ambas fases de biorreactor 10a, 10b puede controlarse en función de una concentración medida del microorganismo fijador de C1 en el producto líquido del biorreactor correspondiente.

Las unidades de pruebas de gas descritas anteriormente pueden usarse en métodos para evaluar un sustrato que contiene C1 de prueba, por ejemplo, disponible en un futuro emplazamiento de instalación para un proceso de conversión biológica a escala comercial. Para el procesamiento pueden usarse biorreactores primero y segundo, respectivamente, un sustrato que contiene C1 de referencia (por ejemplo, un gas que contiene una fuente de carbono C1 de una composición conocida que puede fijarse durante todo el tiempo que dure el método de evaluación) y el sustrato que contiene C1 de prueba, que puede ser el gas residual que contiene C1 disponible procedente de una instalación industrial, tal como una instalación de fabricación de acero, opcionalmente pretratado para eliminar uno o más contaminantes. En general, el pretratamiento se realiza para eliminar uno o más contaminantes del sustrato que contiene C1 de prueba, o al menos una parte de los uno o más contaminantes (por ejemplo, al menos el 75 %, al menos el 90 % o al menos el 99 %, de uno o más contaminantes) que son perjudiciales para el proceso de conversión biológica (por ejemplo, son perjudiciales para el crecimiento del microorganismo fijador de C1). Típicamente, el o los contaminantes en el sustrato que contiene C1 de prueba, que se eliminan mediante pretratamiento, son aquellos que, en ausencia del pretratamiento, contribuirían a un déficit de rendimiento observado en el proceso de conversión biológica, en comparación con el mismo proceso realizado en las mismas condiciones. Los contaminantes incluyen hidrocarburos (por ejemplo, benceno) e hidrocarburos que contienen heteroátomos (por ejemplo, hidrocarburos halogenados o hidrocarburos que contienen al menos uno de Cl, O, N, y/o S, tal como dicloropropano, epiclorhidrina y dioxinas). Cualquiera de estos contaminantes está generalmente presente en pequeñas cantidades (por ejemplo, en una cantidad inferior al 1 %, inferior a 1000 ppm, inferior a 100 ppm, o incluso inferior a 10 ppm, en volumen) en el sustrato que contiene C1 no tratado. Un pretratamiento ilustrativo incluye poner en contacto el sustrato que contiene C1 de prueba con un material sólido o un medio de depuración líquido que elimina selectivamente uno o más contaminantes, por ejemplo, por adsorción o disolución. Los materiales sólidos representativos incluyen carbono (por ejemplo, carbón activado), resinas y zeolitas. Otros contaminantes incluyen partículas de polvo y otros sólidos (por ejemplo, finos de catalizador) que pueden eliminarse mediante filtración y/o un medio de depuración líquido.

Un sustrato representativo que contiene C1 de referencia puede ser CO puro, o una mezcla sintética de CO y uno o más gases (por ejemplo, una mezcla de CO/H², o una mezcla de CO, CO²y H²). Los unos o más gases pueden ser gases que se sabe que están presentes en el sustrato que contiene C1 de prueba en aproximadamente las mismas concentraciones. Una mezcla sintética puede ser representativa de una composición para la que se hayan obtenido previamente datos de rendimiento y, opcionalmente, correlacionado con el rendimiento de una operación a mayor escala. De esta forma, el rendimiento comparativo del sustrato que contiene C1 de referencia con el sustrato que contiene C1 de prueba puede usarse para calcular un rendimiento previsto de este último, en la operación a mayor escala, por ejemplo, una escala de planta piloto, escala de demostración u operación a escala comercial. En muchos casos, un sustrato que contiene C1 de referencia, incluyendo CO puro o una mezcla sintética de CO, puede suministrarse y alimentar uno o ambos biorreactores desde un cilindro presurizado. Usando una válvula reguladora de presión adecuada (o una serie de válvulas), la presión corriente abajo del cilindro puede reducirse a la presión de funcionamiento de los biorreactores (por ejemplo, de 0 a 5 bar de presión absoluta).

El rendimiento de los biorreactores primero y segundo, procesando los sustratos que contienen C1 de referencia y de prueba, respectivamente, se determina y compara, como base para establecer la idoneidad del sustrato que contiene C1 de prueba. Para este fin, una unidad de pruebas de gas, tal como se describe en el presente documento, está configurada para analizar los productos tanto gaseosos como líquidos de los biorreactores primero y segundo. Por ejemplo, los productos gaseosos pueden analizarse para determinar la cantidad de gas C1 restante, tras el consumo por el cultivo bacteriano, de gas C1 en los sustratos que contienen C1 de referencia y de prueba. La utilización global de sustrato de un biorreactor se refiere al porcentaje de sustrato que se introduce en ese biorreactor y se utiliza en la conversión a producto(s) deseado(s) (por ejemplo, etanol) y otros metabolitos del microorganismo. Usando como ejemplo un gas que contiene CO, si se determina la composición del producto gaseoso que sale del biorreactor, entonces la utilización total de CO (expresada como fracción) puede calcularse como:

1 -(tasa de CO que sale del biorreactor)/(tasa de CO que entra en el biorreactor).

La unidad de pruebas de gas puede proporcionar, o al menos puede proporcionar, información suficiente (por ejemplo, alimentación y caudales de gas de producto y composiciones) para, una determinación de la utilización del carbono C1 en cada uno de los biorreactores, como un parámetro de rendimiento para la comparación entre estos biorreactores. Esta utilización de la fuente de carbono C1 se determina "por pasada" o base de "un solo paso", sin tener en cuenta el uso del reciclado de productos gaseosos (y el gasto añadido) que puede proporcionar valores de utilización total más elevados. Sin embargo, la utilización de carbono C1 por pasada puede usarse en la modelización para predecir la utilización total de carbono C1 de un proceso que utilice dicho reciclado.

Otros resultados analíticos de la unidad de pruebas de gas pueden usarse en la comparación del rendimiento entre biorreactores que funcionan con los sustratos que contienen C1 de referencia y de prueba. Por ejemplo, pueden analizarse los productos líquidos obtenidos de estos biorreactores, normalmente tras la separación del microorganismo fijador de C1 (por ejemplo, por filtración) para determinar las concentraciones (títulos) de etanol y otros metabolitos, incluyendo acetato y 2,3-butanodiol. Usando el analizador de GC, por ejemplo, todas estas concentraciones pueden obtenerse en gramos por litro, g/l. En algunos casos, puede incluirse un dispositivo analítico adecuado con la unidad de pruebas de gas, o usarse de otro modo por separado para medir la concentración de microorganismos fijadores de C1 en el producto líquido. Los dispositivos representativos incluyen los que miden la absorbancia o la transmisión de energía electromagnética a través de la muestra (por ejemplo, un espectrofotómetro), una determinada actividad biológica de la muestra (por ejemplo, un lector de placas), u otra propiedad de la muestra (por ejemplo, impedancia/capacitancia) en una sonda desechable o reutilizable (por ejemplo, una sonda de biomasa en línea). El análisis de los productos gaseosos y líquidos puede realizarse de forma continua (por ejemplo, usando un analizador en línea) o intermitentemente. El análisis también puede realizarse de forma automática o manual, con inyección manual en un analizador, tal como una GC, a menudo prefiriéndose debido a la flexibilidad en la preparación de la muestra y a la reducción de los requisitos de equipamiento. Por ejemplo, los sistemas de muestreo para el análisis automatizado de los productos líquidos de los biorreactores pueden incluir conductos adecuados (por ejemplo, tubos o tuberías), válvulas, bombas y accionadores para permitir el muestreo del biorreactor deseado en el momento deseado, y dispositivos adecuados para lavar (purgar) las líneas de muestreo para obtener resultados precisos. A la vista de estas consideraciones, y de acuerdo con las realizaciones particulares, el análisis de los productos gaseosos puede realizarse automáticamente y el análisis del producto líquido puede realizarse manualmente.

El análisis de los productos gaseosos y líquidos de los biorreactores con el tiempo permite supervisar uno o varios parámetros de rendimiento, usados como base para establecer la idoneidad de un determinado sustrato que contiene C1 de prueba, opcionalmente habiéndose sido sometido a pretratamiento como se ha descrito anteriormente. La comparación del rendimiento del primer biorreactor (que procesa el sustrato que contiene C1 de referencia), en relación con el rendimiento del segundo biorreactor (que procesa el sustrato que contiene C1 de prueba) puede implicar generalmente evaluar si uno o más parámetros de rendimiento medidos se desvían sustancialmente (es decir, presenta un déficit de rendimiento o desplazamiento) con respecto al segundo biorreactor (o cultivo de biorreactor), en relación con el primer biorreactor (o cultivo de biorreactor). El rendimiento de los biorreactores puede compararse, por ejemplo, durante un período simultáneo de funcionamiento, o período de prueba, como se ha descrito en el presente documento. Para obtener datos suficientes sobre el rendimiento durante los períodos de funcionamiento de los biorreactores primero y segundo (es decir, los períodos de tiempo durante los cuales estos biorreactores se alimentan con los sustratos que contienen C1 de referencia y de prueba, respectivamente), pueden analizarse los productos gaseosos y líquidos de los biorreactores, si no de forma continua, entonces de forma intermitente durante los respectivos períodos de funcionamiento del biorreactor a intervalos de muestreo suficientes. Los intervalos de muestreo representativos varían de aproximadamente 15 minutos a aproximadamente 10 horas, y normalmente de aproximadamente 30 minutos a aproximadamente 8 horas. De acuerdo con una realización específica, los productos gaseosos se muestrean y analizan a intervalos que varían de aproximadamente 30 minutos a aproximadamente 2 horas, y los productos líquidos se muestrean y analizan a intervalos que varían de aproximadamente 4 horas a aproximadamente 8 horas. Preferentemente, las muestras de productos gaseosos y líquidos se toman y analizan a intervalos sustancialmente constantes, durante los períodos de prueba del biorreactor.

Como se ha descrito anteriormente, un parámetro de rendimiento que puede compararse entre los biorreactores es la utilización de la fuente de carbono C1. Otros parámetros de rendimiento incluyen la concentración (título) de etanol en los productos líquidos de los biorreactores y/o las concentraciones de uno o más metabolitos (por ejemplo, acetato) en estos productos líquidos. Otro parámetro de rendimiento es la relación entre el etanol y un metabolito determinado (por ejemplo, la relación en peso etanol/acetato) en los productos líquidos. La idoneidad de un determinado sustrato que contiene C1 de prueba puede establecerse si uno o más de estos parámetros de rendimiento no es sustancialmente diferente con respecto al segundo biorreactor (o cultivo de biorreactor), en relación con el primer biorreactor (o cultivo de biorreactor). El nivel umbral de diferencia que puede tolerarse, de acuerdo con algunas realizaciones, puede cuantificarse en términos de un déficit de rendimiento mínimo (o desplazamiento) del segundo biorreactor, en relación con el primer biorreactor.

Por ejemplo, en el caso de los parámetros de rendimiento descritos anteriormente, un déficit de rendimiento puede basarse en el valor promedio del parámetro de rendimiento a lo largo del período de prueba (por ejemplo, el valor promedio de la utilización de la fuente de carbono C1 que se mide en el primer biorreactor, en comparación con el del segundo biorreactor). Un déficit de rendimiento mínimo puede ser, por ejemplo, al menos un déficit del 5 %, al menos un déficit del 10 %, al menos un déficit del 15 %, o al menos un déficit del 20 % en el valor promedio del parámetro de rendimiento medido. Tal como resultará evidente para los expertos en la materia, teniendo en cuenta la presente memoria descriptiva, otros déficits de rendimiento mínimo específicos (por ejemplo, cualquier valor en el intervalo de al menos un déficit del 1 % a al menos un déficit del 75 %) puede usarse para cuantificar la diferencia de umbral que puede tolerarse para establecer la idoneidad, dependiendo del parámetro de rendimiento concreto y de otros factores. Tal como también resultará evidente para los expertos en la materia, teniendo en cuenta la presente memoria descriptiva, un "déficit" se refiere a una disminución del rendimiento del segundo biorreactor, en relación con el primer biorreactor, por ejemplo (1) una reducción porcentual de la utilización promedio de la fuente de carbono C1 del segundo biorreactor, en relación con el primer biorreactor, (2) una reducción porcentual de la concentración promedio de etanol en los productos líquidos del segundo biorreactor, en relación con los del primer biorreactor, (3) un aumento porcentual de la concentración promedio de acetato u otro metabolito en los productos líquidos del segundo biorreactor, en relación con los del primer biorreactor, o (4) una reducción porcentual de la relación promedio entre el etanol y un metabolito determinado (por ejemplo, acetato) en los productos líquidos del segundo biorreactor, en relación con los del primer biorreactor.

De acuerdo con otras realizaciones, un déficit de rendimiento puede basarse en la tasa de cambio del parámetro de rendimiento a lo largo del período de prueba (por ejemplo, la tasa de cambio de la utilización de la fuente de carbono C1 medida en el primer biorreactor, en comparación con la del segundo biorreactor) y, por lo tanto, el déficit de rendimiento mínimo puede reflejar un grado deseado de estabilidad que debe alcanzarse usando el sustrato que contiene C1 de prueba. Un índice de cambio puede expresarse como una diferencia promedio en el parámetro de rendimiento medido por unidad de tiempo (por ejemplo, % promedio de pérdida de utilización de la fuente de carbono C1/día), o expresarse de otro modo en términos de una constante de tasa obtenida a partir del ajuste de los valores medidos del parámetro de rendimiento a una ecuación modelo, tal como una ecuación de tasa exponencial (por ejemplo, una ecuación de degradación exponencial, una ecuación de tasa de reacción de primer orden o de orden superior, o una expresión cinética). En tales casos en los que se usa una tasa de cambio como base para un déficit de rendimiento dado, los déficits de rendimiento mínimos representativos descritos anteriormente (en términos de porcentajes) siguen siendo aplicables. También, en tales casos, un "déficit" se refiere de nuevo a una disminución del rendimiento del segundo biorreactor, en relación con el primer biorreactor, por ejemplo (1) un aumento porcentual de la tasa promedio de pérdida de utilización de C1, o de la constante de tasa de degradación asociada, del segundo biorreactor, en relación con el primer biorreactor, (2) un aumento porcentual de la tasa promedio de pérdida de concentración de etanol, o de la constante de tasa de degradación asociada, en los productos líquidos del segundo biorreactor, en relación con los del primer biorreactor, (3) un aumento porcentual de la tasa promedio de aumento de la concentración de acetato u otro metabolito, o constante de tasa asociada, en los productos líquidos del segundo biorreactor, en relación con los del primer biorreactor, o (4) un aumento porcentual de la tasa promedio de disminución de la relación entre el etanol y un metabolito determinado (por ejemplo, acetato), o la constante de tasa asociada, en los productos líquidos del segundo biorreactor, en relación con los del primer biorreactor.

Otros parámetros de rendimiento, u otros cambios en los parámetros de rendimiento, pueden usarse como base para establecer la idoneidad de un determinado sustrato que contiene C1 de prueba, como podrían apreciar los expertos en la materia, teniendo en cuenta la presente memoria descriptiva. Normalmente, la comparación entre los rendimientos de los biorreactores, usada como base para establecer la idoneidad de un sustrato que contiene C1 de prueba, comprende la medición de al menos las concentraciones de al menos una fuente de carbono C1 en los productos gaseosos de los biorreactores primero y segundo, y la medición de las concentraciones de etanol y de al menos un metabolito más (por ejemplo, acetato) en los productos líquidos de estos reactores. En muchos casos, las composiciones del sustrato que contiene C1 de referencia, usadas para alimentar el primer biorreactor, son conocidas y, por lo tanto, no se analizan de forma continua o incluso periódica durante el período de prueba. Lo mismo podría ocurrir en el caso del sustrato que contiene C1 de prueba, al menos durante una duración limitada del funcionamiento (por ejemplo, que varía de aproximadamente 1 a aproximadamente 5 días), que puede corresponder a un período de prueba. De acuerdo con otras realizaciones, la composición del sustrato que contiene C1 de prueba puede fluctuar significativamente durante el período de prueba y, de hecho, tales fluctuaciones pueden ser valiosas para evaluar el rendimiento en un intervalo de composición realista que se encontraría en la práctica comercial. En realizaciones particulares, la concentración de la fuente de carbono C1 o de otros gases en el sustrato que contiene C1 de prueba puede fluctuar en al menos un 20 % (por ejemplo, de aproximadamente el 20 % a aproximadamente el 500 %), basándose en 100 % x (la concentración más alta/la concentración más baja-1), en el que las concentraciones más alta y más baja son las medidas durante el período de prueba. En otras realizaciones, esta desviación puede ser de al menos aproximadamente el 40 % (por ejemplo, de aproximadamente el 40 % a aproximadamente el 250 %), de al menos aproximadamente el 50 % (por ejemplo, de aproximadamente el 50 % a aproximadamente el 100 %).

De acuerdo con el método específico representado en la FIG. 3, el proceso de conversión biológica, por ejemplo, fermentación microbiana para la producción de etanol a partir de una fuente de carbono C1 usando un microorganismo fijador de C1, se establece tanto en los biorreactores primero como segundo usando el sustrato que contiene C1 de referencia (por ejemplo, un gas sintético, que puede ser una mezcla de gases, como se ha descrito anteriormente). En esta etapa, se mantienen separados los cultivos primero y segundo del microorganismo fijador de C1, utilizando el sustrato que contiene C1 de referencia como nutriente para ambos cultivos. De acuerdo con un posible procedimiento para iniciar el proceso, los biorreactores primero y segundo pueden inocularse o cargarse inicialmente con microorganismos fijadores de C1 (por ejemplo, en forma liofilizada), y, tras un período de crecimiento por lotes en cultivo, el microorganismo puede alcanzar una concentración suficientemente alta, tal que pueda iniciarse la adición continua de medio de cultivo reciente.

En realizaciones representativas, el cultivo se establece, por ejemplo, por lotes y luego en una operación continua, durante un período total de 4 días, o más generalmente de aproximadamente 1 día a aproximadamente 10 días, por ejemplo, de aproximadamente 2 a aproximadamente 7 días. Después de este período, el sustrato que contiene C1 de referencia, habiendo sido alimentado al segundo biorreactor, se cambia al sustrato que contiene C1 de prueba (gas de proceso), mientras que el sustrato que contiene C1 de referencia se alimenta continuamente al primer biorreactor. El funcionamiento del primer biorreactor se mantiene con un cultivo bacteriano estable ("cultivo de control/semilla") que puede usarse, si fuese necesario, para sembrar o reinocular el segundo biorreactor, en caso de funcionamiento deficiente o inestable de este biorreactor. El primer biorreactor, que tiene el "cultivo de control/semilla", es operado durante el período de evaluación del rendimiento del segundo cultivo, en relación con el del primero, p. ej., comparando uno o más de los parámetros de rendimiento descritos anteriormente, basándose en los resultados analíticos obtenidos de los productos gaseosos y líquidos de los biorreactores.

Como se muestra en la FIG. 3, un funcionamiento en estado estacionario en el segundo biorreactor, tras el cambio del sustrato que contiene C1 de referencia al de prueba, puede requerir 3 días, o, más en general, de aproximadamente 1 a aproximadamente 7 días. El sustrato que contiene C1 de prueba puede alimentarse a este "cultivo experimental", en condiciones de ensayo (evaluación) estables, durante otros 3 días, o, más en general, durante 1 a 7 días adicionales de un período de prueba representativo. Para confirmar la idoneidad del sustrato que contiene C1 de prueba, puede realizarse un período adicional de "ensayo de estabilidad", con la frecuencia de análisis de los productos gaseosos y líquidos siendo la misma que, o tal vez disminuida en relación con, la de la evaluación de rendimiento precedente del "cultivo experimental". El período de ensayo de estabilidad confirmatoria puede durar, en realizaciones representativas, de aproximadamente 3 días a aproximadamente 28 días, y normalmente de aproximadamente 7 días a aproximadamente 21 días. Por lo tanto, el segundo biorreactor puede ser supervisado para el rendimiento con el cultivo experimental, durante el tiempo en que se establecen las condiciones de estado estacionario para este cultivo, y/o durante el período subsiguiente de ensayos de estabilidad. En caso de que se produzca inestabilidad durante cualquiera de estos períodos o en ambos, o en caso de que se obtenga un déficit de rendimiento mínimo, como se ha descrito anteriormente, (es decir, un nivel mínimo tolerable de déficit de un parámetro de rendimiento, como se ha descrito anteriormente, es superado), el segundo biorreactor puede sembrarse o reinocularse. En el caso de que no se encuentre inestabilidad (o un nivel de inestabilidad mínimo o tolerable), o en el caso de que no se obtenga un déficit de rendimiento mínimo, como se ha descrito anteriormente, (es decir, un nivel mínimo tolerable de déficit de un parámetro de rendimiento, como se ha descrito anteriormente, no se supera), entonces puede establecerse o confirmarse que el sustrato que contiene C1 de prueba es adecuado para el proceso de conversión biológica.

Si es necesario sembrar o reinocular el segundo biorreactor (por ejemplo, con un tercer cultivo bacteriano), una medida correctora, como se ha descrito anteriormente, puede someterse a ensayo, seguido de la repetición de las etapas, con respecto al segundo biorreactor, de lograr un funcionamiento de estado estable, llevando a cabo la evaluación del rendimiento en relación con el primer biorreactor, y/o realización de ensayos de estabilidad. Una medida correctora representativa es un sustrato que contiene C1 de mayor calidad (por ejemplo, más puro), obtenido tras un tratamiento mejorado del gas (purificación), antes de su introducción en el segundo biorreactor. El ensayo de la medida correctora puede implicar una evaluación del rendimiento en función de la obtención del mismo déficit de rendimiento mínimo o de un déficit diferente, al igual que en el ensayo original. Como se ilustra en la FIG. 3, puede realizarse un período de "ensayos de estabilidad adicionales" para establecer o confirmar que la medida correctora es adecuada para el proceso de conversión biológica. Las condiciones y la duración de los ensayos de estabilidad adicionales pueden ser las mismas o diferentes, en relación con las del ensayo de estabilidad original. Como apreciará un experto en la materia, teniendo en cuenta la presente memoria descriptiva, puede realizarse el ensayo de otras medidas correctoras sucesivas (por ejemplo, usando un cuarto, quinto, sexto, etc., cultivos bacterianos), particularmente en el caso de que las medidas correctoras anteriores no sean satisfactorias.

Los siguientes ejemplos se exponen como representativos de la presente invención. Estos ejemplos no deben interpretarse como limitativos del alcance de la invención, ya que estas y otras realizaciones equivalentes serán evidentes en vista de la presente divulgación y las reivindicaciones adjuntas.

EJEMPLO 1

Configuración de la unidad

Se construyó una unidad de pruebas de gas, que tiene una sección de biorreactor, incluyendo dos reactores de circuito de circulación (2 litros en volumen de reactor cada uno). El control de los sustratos que contienen C1 (referencia y prueba) se basó en ajustes del medidor de flujo/controlador de gas, y se incluyó un sistema automático de compensación (control) del pH para cada reactor, en función del ajuste de NH⁴OH u otro flujo de agente neutralizante básico. Las fases del reactor no incluían sistemas de separación por membrana para la separación y reciclado del cultivo bacteriano. Se instaló una cinta calefactora y un ventilador en la sección del biorreactor para el control de la temperatura del reactor. El equipo de la sección analítica, separado de la sección del biorreactor mediante una división vertical, incluía un cromatógrafo de gases de doble columna (columnas de GC separadas para muestras gaseosas y líquidas) y válvulas/accionadores para permitir el muestreo automatizado para el análisis de gases. La sección analítica estaba configurada para la inyección manual en la GC de productos líquidos procedentes de los reactores, para determinar las concentraciones de etanol, ácido acético (acetato) y 2,3-butanodiol. En esta sección se incluyó un ordenador portátil para el control de los parámetros analíticos y operativos del proceso.

Más específicamente, el cromatógrafo de gases se personalizó con un horno externo, válvulas, accionadores y una válvula de selección de ⁶puertos para permitir el análisis automatizado y continuo de los productos gaseosos. Esta válvula estaba controlada por el software que también controlaba la GC y que se ejecutaba desde el ordenador portátil. Sólo las válvulas y el circuito de retención de muestras se configuraron de forma externa al horno principal de GC; los demás componentes de la columna se encontraban en el horno. Se eligió la segregación de los accionadores y válvulas del horno como una forma de evitar la expansión y contracción térmica y, por lo tanto, prolongar la vida útil operativa y reducir el mantenimiento. La anchura de la GC y sus componentes de soporte era de aproximadamente 80 cm. Otros equipos para su uso con la GC incluían un generador de aire cero, un detector de conductividad térmica (TCD, por sus siglas en inglés) (para llevarse a cabo con argón puro de alta pureza) y un detector de ionización de llama (FID, por sus siglas en inglés) (para llevarse a cabo con aire comprimido e hidrógeno).

Las secciones de biorreactor y analíticas (incluyendo la GC y sus componentes de soporte, con aproximadamente 10 cm alrededor de su periferia para permitir la refrigeración) se encajaron en una caja autónoma para su transporte. El pretratamiento del sustrato que contiene C1, usando, por ejemplo, carbón activado, se consideró una opción "fuera de lo convencional", dependiendo de la calidad del gas del cliente. Para un control/minimización adicional de las fluctuaciones de temperatura, la unidad de pruebas de gas podría alojarse en el interior (por ejemplo, dentro de un edificio temporal).

EJEMPLO 2

La unidad de pruebas de gas del Ejemplo 1 se envió a las instalaciones de un cliente para facilitar el ensayo del sustrato que contiene C1 del cliente (sustrato que contiene C1 de prueba). El gas que contenía C1 que debía someterse a ensayo era un gas industrial producido como subproducto principal de un proceso de producción de fósforo. Por lo general, el cliente quemaba el que contenía C1. La unidad de pruebas de gas se envió al emplazamiento para determinar si el sustrato que contenía C¹de prueba era adecuado para su conversión en productos mediante un proceso de conversión biológica.

La composición del sustrato que contiene C1 de prueba se muestra en la tabla 3.

Tabla 3

La limpieza gaseosa del sustrato que contiene C1 de prueba normalmente implicaba hacer pasar el sustrato que contiene C1 de prueba por un precipitador electrostático y un depurador de agua. El sustrato que contenía C1 de prueba se sometió a un tratamiento adicional para eliminar los contaminantes conocidos. El tratamiento posterior incluía el uso de dos depuradores de espuma y un lecho de carbón activado. El primer depurador de espuma contenía una solución de carbonato sódico (5 %), el segundo depurador de espuma contenía una solución de sulfato de cobre, y el lecho de carbón contenía aproximadamente 10 kg de "sulfisorb 8 GAC" de Calgon.

Se usó un sobrecompresor de gas de aire comprimido para aumentar la presión del sustrato que contenía C1 de prueba tratado para proporcionar un mínimo de 200 kPa (2,0 barg) en la entrada de la unidad de pruebas de gas.

Se realizaron tres pruebas en las instalaciones del cliente para evaluar la idoneidad del sustrato que contenía C1. Las operaciones de prueba 1 y 2 se realizaron usando un sustrato que contenía C1 de prueba tratado, y la prueba 3 se realizó con un gas que contenía C1 de prueba sin procesar/sin tratar.

La operación de prueba 1 se realizó usando un sustrato que contenía C1 de prueba tratado con la siguiente composición:

Se añadió un medio nutritivo líquido al recipiente del reactor de GST. El medio nutritivo líquido contenía, por litro, MgCl, CaCl²(0,5 mM), KCl (2 mM), H³PO⁴(5 mM), Fe (100 μM), Ni, Zn (5 μM), Mn, B, W, Mo, y Se (2 μM). El medio se esterilizó en autoclave, y tras el esterilizado en autoclave, el medio se complementó con tiamina, pantotenato (0,05 mg) y biotina (0,02 mg) y se redujo con cisteína-HCl 3 mM.

Se rocía gas nitrógeno en el recipiente del reactor y se ajustan el pH y el ORP. A continuación, se inocula el recipiente del reactor de GTS con células liofilizadas mediante una jeringa. Las células liofilizadas eran la cepa de Clostridium autoethanogenum DSM23693 depositada ante la DSMZ (La Colección Alemana de Microorganismos y Cultivos Celulares, InhoffenstralJe 7 B, 38124 Braunschweig, Alemania). El gas de entrada, se cambia entonces de gas nitrógeno al gas que contiene C1 tratado.

La prueba se realizó durante un período de 5 días. En el día 4,2 se confirmó visualmente el crecimiento del cultivo de Clostridium autoethanogenum. En el día 5, el análisis por GC del caldo de fermentación confirmó una concentración de etanol de 1,6 g/l y una concentración de acetato de 5,4 g/l.

La operación de prueba 1 confirmó la reactivación satisfactoria del inóculo liofilizado, demostró el crecimiento continuo del cultivo y demostró la producción de etanol por el cultivo. La operación de prueba 1 confirmó que el sustrato que contenía C1 tratado era adecuado para el proceso biológico y demostró que no había contaminantes desconocidos, que tuviesen un impacto negativo en el crecimiento, en el sustrato que contenía C1 de prueba.

La operación de prueba 2 se realizó usando un sustrato que contenía C1 tratado que tenía una composición del 13 % de CO. La confirmación visual del crecimiento se confirmó el día 3,75. En el día 4,75, se mostró una concentración de ácido acético relativamente estable de 5-6 g/l, sin producción simultánea de etanol. Este resultado es acorde con unas condiciones de cultivo insuficientes. La composición de CO del C1 de prueba entrante se incrementó a una concentración del 72 % en el día 9,73. Durante los 3 días siguientes, se observó una producción de etanol, observándose mediciones superiores a 8 g/l de etanol.

La operación de prueba 2 confirmó los resultados de la operación de prueba 1.

La operación de prueba 3 se inició con gas que contenía C1 de prueba tratado con una composición de CO del 72 %. Una vez determinado el crecimiento del cultivo, se cambió el gas por un sustrato que contenía C1 de prueba no tratado. El cultivo colapsó en el plazo de un día desde que se suministró el elemento que contenía C1 de prueba sin tratar a la unidad de pruebas de gas. La operación de prueba 3 confirmó que el gas que contenía C1 sin procesar/sin tratar no es adecuado para el proceso biológico.

Funcionamiento de la unidad/equipo auxiliar

Ambos biorreactores se cargarían (inocularían) con organismos liofilizados, y los cultivos se establecerían usando gas sintético, como gas en cilindro de un proveedor local. T ras el inicio con gas sintético, uno de los reactores se cambiaría al gas de emplazamiento para validar el rendimiento en la corriente, durante un período de ensayo de varios días a varias semanas. Si el gas de emplazamiento no está disponible a una presión suficiente, p. ej., nominalmente al menos a unos 2 bar de presión absoluta, por ejemplo, en un intervalo de aproximadamente 3 a aproximadamente 10 bar de presión absoluta, se puede usar un compresor elevador según sea necesario para aumentar la presión disponible del gas de emplazamiento a tales presiones, asegurando así una entrada estable a los biorreactores. Una válvula usada para cambiar la fuente de gas a un biorreactor, de gas de síntesis (por ejemplo, gas embotellado o en cilindro) a gas de emplazamiento, puede en algunos casos tener puertos adicionales para permitir el flujo de gas de fuentes alternativas. Por ejemplo, una válvula de 3 vías puede permitir a un operador modificar la fuente entre un gas de síntesis, gas de emplazamiento, y un gas de purga, que puede ser un gas inerte como el nitrógeno. Podrían realizarse operaciones por lotes opcionales para investigar el aumento del título de etanol de los productos líquidos. Debido a los bajos caudales de gas proyectados (del orden de 2 litros/minuto) necesarios para las pruebas, los productos gaseosos que salgan de la unidad de pruebas de gas podrían devolverse a su fuente (por ejemplo, la corriente de gas residual del cliente) o bien liberarse a la atmósfera.

Una lista ilustrativa de equipos, materiales auxiliares y soporte que deben incluirse con la unidad de pruebas de gas, así como los equipos/requisitos de la futura instalación (cliente) y otros requisitos de los proveedores locales, según sea necesario para la implementación/operación de la unidad de pruebas de gas, es la siguiente:

Capacidades/Objetivos/Valores entregables

Algunas capacidades clave asociadas con el funcionamiento de la unidad de pruebas de gas incluyen la verificación de (1) un funcionamiento estable y de otro modo aceptable a lo largo de un intervalo de composiciones de gas cambiantes suministradas por la instalación, (2) crecimiento positivo de microorganismos en gas no tratado, (3) el perfil de contaminantes de las muestras de gas y líquido, (4) los objetivos de rendimiento obtenidos en otro lugar (en pruebas realizadas fuera del emplazamiento) usando una mezcla sintética, (5) cualquier discrepancia de funcionamiento causada por el uso de gas de emplazamiento frente a gas sintético y/o el uso de agua de proceso (local, in situ) frente a agua del grifo (local, potable) y también frente a agua comprada, destilada.

Otros objetivos de las pruebas in situ del gas de una futura instalación son (1) obtener una comparación del rendimiento del biorreactor con el gas de emplazamiento, con o sin pretratamiento, y agua de proceso, frente al gas sintético, (2) evaluar el impacto de los contaminantes del gas, incluidos los compuestos traza, en agregados, en la absorción del gas, crecimiento de microorganismos y selectividad de metabolitos, en relación con el gas sintético sin contaminantes, (3) evaluar el impacto del agua de proceso de emplazamiento, de forma similar, (4) evaluar si se requiere una mayor limpieza/pretratamiento del gas, (5) evaluar si el agua de proceso local soportará el crecimiento bacteriano a diversas tasas de introducción de diluyente (medio reciente), (6) verificar o actualizar los modelos de reactor con los datos obtenidos y mejorar así las estimaciones de rendimiento como base para ofrecer garantías, (7) obtener un análisis "post-mortem" de los contaminantes gaseosos, desorbidos de los lechos de pretratamiento del gas (lechos adsorbentes), por ejemplo, mediante comparación con contaminantes conocidos.

Se esperaba que los valores entregables clave que se proporcionarían, como resultado de la información obtenida de la unidad de pruebas de gas, variaran y dependieran de las necesidades del proyecto y de la futura instalación. Algunos ejemplos representativos de valores entregables son la verificación de que (1) la instalación proporciona una corriente de gas que soporta el proceso de conversión biológica, (2) la selectividad del producto (etanol) y del metabolito son aceptables desde un punto de vista económico, (3) las estrategias de purificación de gas propuestas (si se usan) son eficaces, (4) el agua de proceso u otra fuente de agua local es aceptable, (5) el intervalo de fluctuaciones de la composición de gas puede tolerarse y su influencia puede predecirse, (6) los análisis de GC y demás información de la unidad de pruebas de gas son precisos, (7) los niveles de contaminantes gaseosos (si se detectan) pueden ser tolerados por el cultivo microbiano.

Globalmente, los aspectos de la invención hacen referencia a unidades transportables para las pruebas in situ del gas real, generado en una futura instalación, para su uso en procesos de conversión biológica, y en particular para la fermentación microbiana de sustratos que contienen CO para la producción de etanol. Las unidades de pruebas de gas, y los métodos y metodologías asociados para establecer la idoneidad de un sustrato que contiene CO de prueba, ofrecen una serie de ventajas como se describe en el presente documento, en particular con respecto a la obtención de expectativas y objetivos de rendimiento realistas y precisos, que de otro modo no podrían obtenerse de los intentos de simular una composición de gas comercial fuera del emplazamiento. Las personas expertas en la materia, con los conocimientos adquiridos en la presente divulgación, reconocerán que pueden realizarse diversos cambios en los aparatos y métodos descritos en el presente documento, sin alejarse del alcance de la presente invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para evaluar la idoneidad de un sustrato que contiene C1 de prueba para su uso en un proceso de conversión biológica, comprendiendo el método:

(a) alimentar un sustrato que contiene C1 de referencia a un primer biorreactor que contiene un primer cultivo de un microorganismo fijador de C1;

(b) alimentar el sustrato que contiene C1 de prueba a un segundo biorreactor que contiene un segundo cultivo del microorganismo fijador de C1, en donde el sustrato que contiene C1 de prueba es una corriente de residuos que contiene C1 industrial; y

(c) analizar los productos tanto gaseosos como líquidos de los biorreactores primero y segundo para determinar el rendimiento de los biorreactores primero y segundo;

en donde la idoneidad del sustrato que contiene C1 de prueba se establece a partir de una comparación del rendimiento del primer biorreactor, en relación con el rendimiento del segundo biorreactor, y en donde la unidad de pruebas de gas usada para llevar a cabo dicho método comprende dicho primer biorreactor, dicho segundo biorreactor y una sección analítica configurada para analizar dichos productos gaseosos y líquidos, teniendo dicha unidad de pruebas de gas la capacidad de ser alojada en un recipiente que tiene un volumen inferior a aproximadamente 6 m3 y es transportable a múltiples ubicaciones, y en donde la unidad de pruebas de gas tiene la capacidad de ser alojada en una caja que tiene dimensiones de longitud, anchura y altura inferiores a aproximadamente 1,8 metros cada una.

2. El método de la reivindicación 1, en donde al menos una parte de la etapa (a) y de la etapa (b) se llevan a cabo simultáneamente.

3. El método de la reivindicación 1, que comprende alimentar el sustrato que contiene C1 de referencia al segundo biorreactor, antes de alimentar el sustrato que contiene C1 de prueba al segundo biorreactor en la etapa (a).

4. El método de la reivindicación 1, en donde el sustrato que contiene C1 de prueba es una corriente de gas residual que contiene C1 industrial que ha sido pretratada para eliminar un contaminante.

5. El método de la reivindicación 1, en donde la etapa de análisis (c) comprende medir las concentraciones de fuente de carbono C1 en los productos gaseosos de los biorreactores primero y segundo y medir las concentraciones de etanol y al menos un metabolito más en los productos líquidos de los biorreactores primero y segundo.

6. El método de la reivindicación 1, en donde al menos uno de los cultivos primero y segundo de un microorganismo carboxidotrófico comprende un medio de cultivo preparado con, o complementado con, una fuente de agua local.

7. El método de la reivindicación 1, en donde el microorganismo fijador de C1 es un microorganismo carboxidotrófico del género Clostridium.

8. El método de la reivindicación 7, en donde el microorganismo fijador de C1 se selecciona del grupo que consiste en Clostridium autoethanogenum, Clostridium Ijungdahlii, y Clostridium ragsdalei.

9. Un método para determinar si un sustrato que contiene C1 de prueba soporta un proceso de conversión biológica, comprendiendo el método:

(a) mantener separados los cultivos primero y segundo de un microorganismo carboxidotrófico, siendo el mismo microorganismo carboxidotrófico usado en los cultivos primero y segundo, utilizando un sustrato que contiene C1 de referencia como nutriente para producir etanol y al menos un metabolito más;

(b) pasar del sustrato que contiene C1 de referencia, como nutriente para el segundo cultivo, a un sustrato que contiene C1 de prueba;

(c) evaluar el rendimiento del primer cultivo, en relación con el del segundo cultivo, bajo un mismo conjunto de condiciones operativas diana, pero usando los diferentes sustratos que contienen C1 de referencia y de prueba; (d) en caso de no obtener un déficit de rendimiento mínimo del segundo cultivo en la etapa (c), confirmar que el sustrato que contiene C1 de prueba soporta el proceso de conversión biológica;

(e) en caso de obtener el déficit de rendimiento mínimo en la etapa (c), pretratar o mejorar el pretratamiento del sustrato que contiene C1 de prueba para proporcionar un sustrato que contiene C1 de prueba de mayor calidad, en relación con el sustrato que contiene C1 de prueba usado para evaluar el rendimiento en la etapa (c).

10. El método de la reivindicación 9, que comprende además:

(f) evaluar el rendimiento del primer cultivo, en relación con el de un tercer cultivo, bajo el mismo conjunto de condiciones operativas diana, pero usando los diferentes sustratos que contienen C1 de referencia y de prueba de mayor calidad; y

(g) en caso de no obtener el déficit de rendimiento mínimo del tercer cultivo en la etapa (f), confirmar que el sustrato que contiene C1 de prueba de mayor calidad soporta un proceso de conversión biológica.

11. El método de la reivindicación 9, en donde

(i) diferentes fuentes de agua se usan para preparar los cultivos primero y segundo o complementar los cultivos primero y segundo; o

(ii) en la etapa (c), los rendimientos de los cultivos primero y segundo se evalúan simultáneamente durante un período de prueba de al menos aproximadamente 7 días.

12. El método de la reivindicación 1 o la reivindicación 9, en donde el sustrato que contiene C1 contiene al menos una fuente de carbono C1 seleccionada del grupo que consiste en CO, CO², y CH⁴.

13. Una unidad de pruebas de gas para llevar a cabo el método definido en la reivindicación 1 o 9, que comprende:

una primera fase de biorreactor para evaluar el rendimiento de un sustrato que contiene C1 de referencia, el primer reactor conteniendo un primer cultivo de un microorganismo fijador de C1 y estando conectado a una fuente de un sustrato que contiene C1 de referencia;

una segunda fase de biorreactor para evaluar el rendimiento de un sustrato que contiene C1 de prueba, dicho segundo reactor conteniendo un segundo cultivo del microorganismo fijador de C1 y estando conectado a dicha fuente de un sustrato que contiene C1 de referencia o a dicha fuente de un sustrato que contiene C1 de prueba; una sección analítica configurada para el análisis de los productos tanto gaseosos como líquidos de los biorreactores primero y segundo;

en donde la sección analítica está configurada para que se determine y compare el rendimiento de los biorreactores primero y segundo,

la unidad de pruebas de gas tiene la capacidad de ser alojada en un recipiente que tiene un volumen inferior a aproximadamente 6 m3 y es transportable a múltiples ubicaciones, y

la unidad de pruebas de gas tiene la capacidad de ser alojada en una caja que tiene dimensiones de longitud, anchura y altura inferiores a aproximadamente 1,8 metros cada una.

14. La unidad de pruebas de gas de la reivindicación 13, en donde

(i) la sección analítica comprende un analizador de cromatografía de gases (GC) que tiene columnas de cromatografía primera y segunda configuradas, respectivamente, para el análisis de los productos gaseosos y líquidos;

(ii) las fases de biorreactor primera y segunda comprenden cada una un biorreactor de circuito de circulación; opcionalmente en donde las fases de biorreactor primera y segunda pueden comprender cada una además circuitos de reciclado externo y bombas de recirculación para reciclar el líquido extraído de los extremos inferiores próximos de los biorreactores a los extremos superiores opuestos próximos de los biorreactores;

(iii) la unidad de pruebas de gas comprende además un sistema de control de funcionamiento para controlar uno o más parámetros de funcionamiento seleccionados del grupo que consiste en tasa de adición de medio de cultivo reciente, tasa de alimentación de sustrato que contiene C1 gaseoso, temperatura del reactor, y pH del reactor; o (iv) la unidad de pruebas de gas comprende además un sistema de control de seguridad para suspender el flujo de al menos el sustrato que contiene C1 de prueba o el sustrato que contiene C1 de referencia, en respuesta a una medición de una concentración de fuente de carbono C1 ambiente por encima de una concentración umbral.

15. La unidad de pruebas de gas de la reivindicación 14, en donde la unidad de pruebas de gas comprende además un sistema de control de funcionamiento para controlar uno o más parámetros de funcionamiento seleccionados del grupo que consiste en tasa de adición de medio de cultivo reciente, tasa de alimentación de sustrato que contiene C1 gaseoso, temperatura del reactor y pH del reactor y en donde los uno o más parámetros de funcionamiento incluyen pH del reactor, y el sistema de control incluye instrumentación para controlar el flujo de un agente neutralizante básico al biorreactor, en función del pH del reactor medido.