ES2955708T3 - Proceso integrado de fermentación y electrólisis - Google Patents
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Abstract
La invención proporciona esquemas para la integración de un proceso de fermentación, con un proceso de electrólisis y un proceso industrial generador de C1. En particular, la invención proporciona un proceso para utilizar productos de electrólisis, por ejemplo H2 y/u O2, para mejorar la eficiencia del proceso de al menos uno de los procesos de fermentación o el proceso industrial de generación de C1. Más particularmente, la invención proporciona un proceso mediante el cual, el H2 generado por electrólisis se usa para mejorar la eficiencia del sustrato para un proceso de fermentación, y el O2 generado por el proceso de electrólisis se usa para mejorar la composición del gas de cola que contiene C1 generado por el Proceso industrial generador de C1. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Proceso integrado de fermentación y electrólisis
Antecedentes de la invención
El dióxido de carbono (CO2) supone aproximadamente un 76 % de las emisiones de gases de efecto invernadero globales de las actividades humanas, donde el metano (16 %), el óxido nitroso (6 %) y los gases fluorados (2 %) representan el resto (Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos). La mayoría del CO2 proviene de la combustión de combustibles fósiles para producir energía, aunque las prácticas industriales y forestales también emiten CO2 a la atmósfera. La reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, en particular CO2, es crítica para detener la progresión del calentamiento global y los cambios que lo acompañan en el clima y la meteorología.
Se ha reconocido durante mucho tiempo que los procesos catalíticos se pueden utilizar para convertir gases que contienen dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO) y/o hidrógeno (H2), tales como gas de deshecho industrial o gas de síntesis, en diversos combustibles y productos químicos. Recientemente, sin embargo, la fermentación de gases ha surgido como una plataforma alternativa para la fijación biológica de tales gases. En particular, se ha demostrado que los microorganismos fijadores de C1 convierten gases que contienen CO2, CO y/o H2 en productos tales como etanol y 2,3-butanodiol. La producción eficaz de tales productos puede estar limitada, por ejemplo, por un crecimiento microbiano lento, absorción de gases limitada, sensibilidad a toxinas o desviación de sustratos de carbono en subproductos no deseables.
Se ha reconocido desde hace mucho tiempo que los procesos catalíticos, tales como el proceso de Fischer-Tropsch, se pueden utilizar para convertir gases que contienen dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO) y/o hidrógeno (H2) en diversos combustibles y productos químicos. Recientemente, sin embargo, la fermentación de gases ha surgido como una plataforma alternativa para la fijación biológica de tales gases. En particular, se ha demostrado que los microorganismos anaerobios fijadores de C1 convierten gases que contienen CO2, CO y/o H2 en productos, como el etanol y el 2,3-butanodiol.
Dichos gases pueden proceder, por ejemplo, de procesos industriales, incluida la fabricación de productos de metales ferrosos o no ferrosos, refinado de petróleo, gasificación, producción de energía eléctrica, producción de negro de carbón, producción de amoniaco, producción de metanol y fabricación de coque. Sin embargo, estos gases industriales pueden requerir tratamiento o recomposición para ser optimizados para su uso en sistemas de fermentación de gas. En particular, los gases industriales pueden carecer de cantidades suficientes de H2 para impulsar la fijación neta de CO2 por fermentación de gas y reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera.
Las corrientes altas de hidrógeno son beneficiosas para los productos de fermentación que tienen una demanda de energía baja y donde el CO2 se puede usar como reactivo, como con la producción de etanol.
En consecuencia, sigue existiendo la necesidad de mejorar la integración de los procesos industriales con los sistemas de fermentación de gas, incluyendo procesos para enriquecer el H2 contenido de gases industriales entregados a los sistemas de fermentación de gas.
El documento US 2015/353965 describe métodos de absorción de carbono por fermentación microbiana de un sustrato gaseoso que comprende CO. Fu et al "Syngas production via high-temperature steam/CO2 co-electrolysis: an economic assessment", Energy and Environmental Science, vol. 3, n.° 10, 2010, páginas 1382-1397, describe el uso del gas de síntesis producido a partir del proceso de electrólisis de CO2/vapor a alta temperatura en el proceso Fischer-Tropsch. El documento US 2013/149755 se refiere a un proceso biológico y químico híbrido que captura y convierte dióxido de carbono y/u otras formas de carbono inorgánico en productos químicos orgánicos. El documento EP 3222731 describe un método para producir etanol a partir de una corriente que contiene CO2 utilizando la fermentación bacteriana. El documento US 2016/215304 se refiere a una mezcla de reacción para producir etanol y/o acetato a partir de una fuente de carbono en condiciones aeróbicas.
Sumario de la invención
La invención proporciona un proceso para mejorar la captura de carbono en un proceso integrado de fermentación e industrial, en el que el método comprende (i) hacer pasar una materia prima que comprende CO2 a un proceso de electrólisis para producir un sustrato derivado de la electrólisis que comprende CO y O2, (ii) mezclar al menos una parte del sustrato derivado de la electrólisis con un gas de cola que contiene C1 de un proceso industrial para proporcionar un sustrato que contiene C1 mezclado, (iii) pasar el sustrato que contiene C1 mezclado a un biorreactor que contiene un cultivo de al menos una bacteria anaerobia fijadora de C1, y (iv) fermentar el cultivo para producir uno o más productos de fermentación, y en el que al menos una parte del O2 de (i) se pasa al proceso industrial.
El sustrato derivado de la electrólisis comprende CO y O2, y se deriva de un proceso de electrólisis de CO2. En una realización, la entrada de energía para el proceso de electrólisis es una fuente de energía renovable seleccionada del grupo que consiste en energía eólica, energía hidroeléctrica, energía solar, energía nuclear y energía geotérmica.
El proceso industrial se selecciona del grupo formado por procesos de oxidación parcial y procesos de oxidación completa. Ejemplos de procesos de oxidación parcial incluyen reacciones de horno de oxígeno básico (BOF); procesos de fabricación de acero COREX o FINEX, procesos de alto horno (BF), procesos de ferroaleaciones, procesos de producción de dióxido de titanio y procesos de gasificación. Los procesos de oxidación completa incluyen procesos de energía de gas natural, procesos de energía a base de carbón y procesos de producción de cemento.
En determinadas realizaciones, una parte del gas de cola que contiene C1 se mezcla con una parte del oxígeno de la unidad de electrólisis para igualar la riqueza de oxígeno requerida para la alimentación al proceso industrial.
El producto o productos de fermentación se seleccionan del grupo formado por etanol, acetato, butanol, butirato, 2,3-butanodiol, lactato, buteno, butadieno, metil etil cetona, etileno, acetona, isopropanol, lípidos, 3-hidroxipropionato, isopreno, ácidos grasos, 2-butanol, 1,2-propanodiol y 1-propanol.
También se describe, aunque no de acuerdo con la invención, un proceso integrado para producir uno o más productos, comprendiendo el proceso; producir hidrógeno por electrólisis, mezclar al menos una parte de la corriente de hidrógeno producida con una corriente gaseosa que comprende al menos CO2, pasar la corriente mezclada a un biorreactor que contiene un cultivo de al menos una bacteria fijadora de C1 y fermentar el cultivo para producir uno o más productos.
Preferentemente, la corriente de hidrógeno renovable se produce por electrólisis de agua. El proceso de electrólisis puede producir O2 como subproducto. Preferentemente, la corriente gaseosa que comprende al menos CO2 se produce mediante un proceso de oxidación completa. Los ejemplos de procesos de oxidación completa incluyen, pero no se limitan a centrales eléctricas de gas natural, centrales eléctricas de carbón y procesos de producción de cemento.
También se describe, aunque no de acuerdo con la invención, un proceso para producir uno o más productos a partir de un sustrato gaseoso que comprende hidrógeno renovable, comprendiendo el proceso: recibir un primer sustrato gaseoso que comprende hidrógeno renovable y un segundo sustrato gaseoso que comprende CO2, pasar la primera parte de hidrógeno y una primera parte de CO2 a un reactor de desplazamiento inverso de agua y gas operado en condiciones para producir una corriente de salida que comprende CO, mezclar una segunda parte de hidrógeno, una segunda parte de CO2 y la corriente de salida que comprende CO para proporcionar un sustrato que contiene C1 mezclado, pasar el sustrato mezclado que contiene C1 a un biorreactor que contiene un cultivo de una o más bacterias fijadoras de C1 y fermentar el cultivo para producir uno o más productos. Preferentemente, el hidrógeno renovable se produce por electrólisis de una fuente de energía renovable. El sustrato que comprende CO2 puede ser producido por un proceso industrial. El proceso industrial puede ser un proceso de producción de cemento.
Además, se proporciona, aunque no de acuerdo con la invención, un sistema integrado que comprende; una zona de proceso industrial generador de C1, un electrolizador, y una zona de fermentación fijadora de C1. El sistema integrado tiene la ventaja de producir un producto valioso que contiene carbono a partir de un gas residual C1 y reducir las emisiones de CO2. La provisión de un electrolizador para la electrólisis de agua o dióxido de carbono también reduce el requisito de separación de aire por medios alternativos, dado que el O2 producido por el proceso de electrólisis puede reemplazar o complementar los requerimientos de O2 del proceso industrial.
El sistema integrado puede comprender además una zona de mezcla, para mezclar una parte de un sustrato derivado de electrólisis con al menos una parte de un gas de cola que contiene C1 de la zona de proceso industrial generador de C1 para producir un sustrato que contiene C1 mezclado. El sistema integrado comprende además un conducto para hacer pasar el sustrato que contiene C1 mezclado desde la zona de mezcla hasta la zona de fermentación de fijación de C1.
La entrada de energía para el electrolizador es proporcionada por una zona de producción de energía renovable. Las zonas de producción de energías renovables podrán comprender al menos una tecnología seleccionada del grupo formado por energía eólica, energía hidroeléctrica, energía solar, energía nuclear y energía geotérmica.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 muestra un esquema de integración de procesos, no de acuerdo con la invención, que representa la integración de un proceso de horno de oxígeno básico con un proceso de fermentación.
La Figura 2 muestra un esquema de integración de procesos, no de acuerdo con la invención, que representa la integración de un proceso de horno de oxígeno básico con un proceso de fermentación y un proceso de electrólisis de agua.
La Figura 3 muestra un esquema de integración de procesos, no de acuerdo con la invención, que representa la integración de un proceso de producción de cemento con un proceso de fermentación y un proceso de electrólisis de dióxido de carbono.
La Figura 4 muestra un proceso esquemático, no de acuerdo con la invención, para la integración de un proceso de producción de cemento con un proceso de electrólisis y un proceso de fermentación de gas.
Descripción detallada de la invención
Los inventores han identificado que la integración de un proceso industrial de generación de C1 con un proceso de fermentación de fijación de C1 y un proceso de electrólisis proporciona beneficios sustanciales al proceso industrial de generación de C1 y al proceso de fermentación de fijación de C1.
Un "proceso industrial generador de C1" es un proceso industrial que genera al menos un gas que contiene C1 durante su proceso de operación. Se pretende que el proceso industrial generador de C1 incluya cualquier proceso industrial que genere un gas que contenga C1 como producto final deseado o como subproducto en la producción de uno o más productos finales deseados. Los procesos industriales generadores de C1 ilustrativos incluyen, pero no se limitan a, proceso de fabricación de acero, incluyendo procesos de horno de oxígeno básico (BOF); procesos de fabricación de acero COREX o FINEX, procesos de alto horno (BF) y procesos de gas de horno de coque, procesos de gasificación, incluyendo, gasificación de residuos sólidos municipales, gasificación de biomasa, gasificación de lignina y corrientes asociadas, gasificación de coque de petróleo y gasificación de carbón, procesos de producción de dióxido de titanio, procesos de producción de cemento, procesos de energía de gas natural y procesos de energía a base de carbón. Se pretende que un "producto final deseado" abarque el producto primario u objetivo del proceso industrial. Por ejemplo, el producto final deseado de un proceso de fabricación de acero es un producto de acero, y se genera un gas que contiene C1 como subproducto, sin embargo, en un proceso de gasificación de RSM, el gas de síntesis, un gas que contiene C1 es el producto final deseado del proceso de gasificación.
El hidrógeno es una fuente de energía especialmente adecuada para los procesos de fermentación. Los inventores han encontrado una serie de beneficios sinérgicos en la integración de un proceso de electrólisis que produce hidrógeno con un proceso industrial que genera C1 y un proceso de fermentación que fija C1. Más en particular, los inventores han descubierto que el proceso de electrólisis puede combinarse con un proceso industrial generador de C1, para mejorar la composición de los gases que contienen C1 generados por el proceso industrial.
El hidrógeno puede ser producido por un proceso de electrólisis, definida por la siguiente reacción estequiométrica: 2 H2O electricidad ^ 2 H2 O2 calor
Las tecnologías de electrólisis del agua son conocidas en la técnica. Los procesos ilustrativos incluyen electrólisis de agua alcalina, electrólisis de membrana de intercambio de proteínas (PEM) y electrólisis de óxido sólido. Los electrolizadores adecuados incluyen electrolizadores alcalinos, electrolizadores PEM y electrolizadores de óxido sólido (Ursua et al., Hydrogen Production From Water Electrolysis: Current Status and Future Trends, En: Proceedings of the IEEE100(2):410-426, Feb 2012). El hidrógeno producido por electrólisis se puede utilizar como materia prima para la fermentación de gases cuando se suministra en combinación con gases residuales industriales que contienen una fuente de carbono adecuada, por ejemplo al menos un gas que contiene C1, tales como monóxido de carbono (CO) y/o dióxido de carbono (CO2).
Adicionalmente se considera que el hidrógeno producido puede mezclarse con una corriente de gas industrial que comprenda al menos una parte de hidrógeno, como medio para suministrar materia prima adicional y mejorar la composición del sustrato. La composición del sustrato se puede mejorar para proporcionar una relación H2:CO:CO2 deseada u óptima. La relación H2:CO:CC>2 deseada depende del producto de fermentación deseado del proceso de
fermentación. Para el etanol, la relación H2:CO:CO2 óptima serí1a3:- \ Ó / donde x > 2y, con el fin de
satisfacer la estequiometría para la producción de etanol (x)H2 (y)C0 + (í=p) C02 -* (í^) C2Hs0H
Alternativamente, el monóxido de carbono y el oxígeno se pueden producir mediante un proceso de electrólisis, definida por la siguiente reacción estequiométrica: 2CO2 + electricidad -> 2CO O2 calor. El monóxido de carbono producido por electrólisis se puede utilizar como materia prima para la fermentación de gases. Adicionalmente se considera que el CO producido puede mezclarse con una corriente de gas industrial, como medio para suministrar materia prima adicional.
Son conocidos procesos de electrólisis y electrolizadores para la reducción de CO2. El uso de diferentes catalizadores para la reducción de CO2 tiene un impacto en el producto final. Catalizadores incluyendo catalizadores de Au, Ag, Zn, Pd y Ga se ha demostrado que son efectivos para la producción de CO a partir de CO2. Electrolizadores estándar, como los descritos anteriormente para la electrólisis del agua pueden utilizarse. (Jhong et al.; Electrochemical
conversión of CO2 to useful Chemicals: current status, remaining challenges, and future opportunities, En: Science Direct; Current Opinion in Chemical Engineering 2013, 2:191-199).
Sorprendentemente, los inventores han identificado que el subproducto O2 de los procesos de electrólisis descritos anteriormente proporciona un beneficio adicional al uso de gas industrial para la fermentación. Mientras que los procesos de fermentación de la presente invención son procesos anaeróbicos, los inventores han identificado que el subproducto O2 tanto del proceso de producción de hidrógeno como del proceso de producción de CO se puede utilizar en el proceso industrial de generación de C1 del que se deriva el gas de cola que contiene C1. El subproducto O2 de alta pureza del proceso de electrólisis puede integrarse con el proceso industrial y compensar beneficiosamente los costos y, en algunos casos, tener una sinergia que reduce aún más los costos tanto del proceso industrial como de la fermentación de gas subsiguiente.
Normalmente, los procesos industriales descritos en el presente documento obtienen el oxígeno requerido por separación del aire. La producción de oxígeno por separación de aire es un proceso intensivo en energía que implica la separación criogénica de O2 del N2 para lograr la máxima pureza
La coproducción de O2 por electrólisis, y el desplazamiento del O2 producido por separación de aire, podrían compensar hasta un 5 % de los costes de electricidad en un proceso industrial. Por ejemplo, un proceso de electrólisis puede consumir 224 kWh/kmol de O2, basado en un consumo de electricidad de 5 kWh por Nm3 de H2 producido. Esto se compara con las modernas unidades de separación de aire que consumen 300 kWh por tonelada de O2 producido de alta pureza, 9,6 kWh/kmol de O2 producido. De manera adicional, la provisión de una fuente de O2 de alta pureza enriquece el gas de cola que contiene gas C1 producido por el proceso industrial, proporcionando así un sustrato que contiene C1 más eficiente para la fermentación. Por ejemplo, un gas de cola BOF típico contiene aproximadamente un 20 % de nitrógeno (la composición típica del gas de cola BOF es de 60 % de CO, 20 % de CO2 y 20 % de N2). El N2 en la corriente BOF es el resultado de la alimentación de O2 al proceso BOF, que típicamente es del 94 % de O2 y del 6 % de N2. En el caso de que se produzcan 100.000 Nm3/h de gas BOF y la corriente BOF se complemente con suficiente H2 para la captura total de carbono (aprox. 180.000 Nm3/h de H2), dicho hidrógeno se produce por electrólisis del agua, el O2 disponible del proceso de electrólisis, cuando se envía al proceso BOF para desplazar la alimentación típica del 94 % de O2/6 % de N2, reduciría la composición de N2 en el gas BOF resultante en aprox. un 57 %. En ciertas realizaciones de la invención, se proporciona un proceso para reducir la concentración de nitrógeno en un gas de cola que contiene C1, el proceso que comprende el desplazamiento de una alimentación de O2 de un proceso BOF típico, con una corriente de O2 de alta pureza derivada de un proceso de electrólisis del agua. En determinadas realizaciones, la concentración de nitrógeno en el gas de cola que contiene C1 se reduce en al menos un 20 %, o al menos un 30 %, o al menos un 40 %, o al menos un 50 %, o al menos un 55 %, en comparación con un proceso donde la alimentación de O2 típica no se desplaza.
Una serie de procesos industriales generadores de C1 que implican reacciones de oxidación parcial, requieren un aporte de O2. Ejemplos de procesos industriales incluyen reacciones de horno de oxígeno básico (BOF); procesos de fabricación de acero COREX o FINEX, procesos de alto horno (BF), procesos de producción de ferroaleaciones, procesos de producción de dióxido de titanio y procesos de gasificación. Los procesos de gasificación incluyen, pero no se limitan a la gasificación de residuos sólidos municipales, gasificación de biomasa, gasificación de coque de petróleo y gasificación de carbón, gasificación de lignina y corrientes asociadas, procesos de producción de dióxido de titanio, procesos de producción de cemento, procesos de energía de gas natural y procesos de energía a base de carbón.
Por ejemplo, la integración de un horno de oxígeno básico (BOF), con una unidad de fermentación y una unidad de electrólisis proporciona una serie de beneficios sinérgicos. Una integración típica de BOF y fermentación comprende el uso del gas de cola que contiene C1 producido por el proceso BOF como materia prima de fermentación utilizando un microorganismo fijador de C1. La Figura 1 muestra una integración típica del proceso BOF con una fermentación que utiliza C1. El aire 10 se introduce a una unidad de separación de aire 14, por ejemplo, una unidad de destilación criogénica o PSA, y el aire se separa para proporcionar una corriente de O2 y una corriente de N2. La corriente de 2 se elimina de la unidad de separación a través del conducto 16. El O2 pasa a través de un conducto 18 a una unidad BOF 22. La unidad BOF recibe arrabio fundido 20 (que generalmente se recibe de un alto horno) y O2. El tratamiento del metal caliente con O2 resulta en la liberación de CO y CO2 del carbón en el metal caliente. El producto final deseado del proceso BOF se recupera a través del conducto 24. La corriente de gas resultante que comprende CO y CO2 pasa desde la unidad BOF 22 a través de un conducto 26 a una unidad de tratamiento de gas 28 en la que el gas se somete al menos a un proceso de tratamiento para eliminar cualquier contaminante no deseado del gas. El sustrato gaseoso que contiene C1 que sale de la unidad de tratamiento de gas 28 se pasa a un biorreactor 32 a través de un conducto 30. El biorreactor 32 contiene un cultivo de al menos un microorganismo fijador de C1 en un caldo nutritivo líquido. Las bacterias fijadoras de C1 utilizan al menos un componente C1 en el sustrato que contiene C1, como fuente de carbono, y producen uno o más productos de fermentación. El uno o más productos de fermentación se recuperan del caldo de fermentación a través del conducto 36. Un gas de salida que comprende CO2 y el CO sin reaccionar sale del biorreactor 32 como gas de salida a través de un conducto de ventilación 34. Un gas típico de salida de un proceso BOF contiene CO, CO2 y nitrógeno, con cantidades mínimas de hidrógeno. Una composición de la corriente de gas de salida de BOF ilustrativa contiene el 50-70 % de CO, el 15-25 % de CO2 y el 15-25 % de N2, y el 0,5-3 % de H2.
En ausencia de suficiente H2 en el sustrato que contiene C1, el CO utilizado por las bacterias fijadoras de C1 se convierte en etanol y CO2 como sigue: 6CO 3H2O -> C2H5OH 4CO2. Antes de la integración de los procesos BOF con los procesos de fermentación, el vapor de salida del proceso BOF se utiliza típicamente para la generación de electricidad. La estequiometría de reacción de la producción de electricidad es: 6 CO ^ 6 CO2 + electricidad. La incorporación de una unidad de fermentación de gas puede reducir las emisiones de CO2 total hasta en un 33 % (en comparación con los procesos BOF con generación de electricidad).
La presente invención, proporciona procesos para mejorar la eficiencia del proceso industrial generador de C1 y la integración de la fermentación. En particular, la presente invención proporciona procesos para reducir sustancialmente la cantidad total de CO2 emitido desde una instalación integrada.
Los productos de electrólisis (por ejemplo, hidrógeno, monóxido de carbono y oxígeno) también se pueden utilizar para mejorar la eficiencia general de la integración de los procesos de producción industrial y los procesos de fermentación de gases, por ejemplo en procesos industriales en los que el gas de cola que contiene C1 es adecuado para su uso como sustrato de fermentación, una mayor optimización del sustrato mediante la mezcla con hidrógeno o monóxido de carbono puede mejorar la utilización general de carbono de la fermentación. La eficiencia se puede mejorar (i) usando hidrógeno para mejorar la composición del sustrato de fermentación; (ii) usando monóxido de carbono para mejorar la composición del sustrato de fermentación; (iii) usando oxígeno derivado del proceso de electrólisis para compensar los requerimientos de oxígeno del proceso industrial; (iv) reciclando el CO2 de la corriente de gas de salida del proceso de fermentación a un electrolizador de CO2 para producir CO adicional y reducir aún más las emisiones de CO2; o (v) una combinación de los anteriores.
El hidrógeno se puede utilizar para mejorar la composición del sustrato de fermentación. El hidrógeno proporciona la energía requerida por el microorganismo para convertir los gases que contienen carbono en productos útiles. Cuando se proporcionan concentraciones óptimas de hidrógeno, el cultivo microbiano es capaz de producir los productos de fermentación deseados (es decir, etanol) sin ninguna coproducción de dióxido de carbono.
El monóxido de carbono producido por electrólisis de CO2 puede usarse para mejorar la composición del sustrato de fermentación y puede enriquecer el contenido de CO del gas residual industrial que se utiliza como sustrato de fermentación. De manera adicional, cualquier CO2 producido por el proceso de fermentación se puede reciclar como materia prima para el electrolizador de CO2, reduciendo así aún más las emisiones de CO2 y aumentando la cantidad de carbono capturado en los productos líquidos de fermentación.
En varios de estos procesos industriales, el oxígeno se obtiene de una alimentación de aire. En los procesos de oxidación parcial, tales como procesos de horno de oxígeno básico (BOF); procesos de fabricación de acero COREX o FINEX, procesos de alto horno (BF), procesos de producción de dióxido de titanio, procesos de producción de ferroaleaciones y procesos de gasificación, El O2 generalmente se produce a partir del aire mediante un proceso de separación de aire (por ejemplo, destilación criogénica o separación de PSA). De acuerdo con la presente invención, el O2 producido por el proceso de electrólisis, puede reducir o reemplazar el requisito de separación de aire.
La Figura 2 es una representación esquemática de los sistemas y procesos integrados. Una unidad de electrólisis 210 recibe energía renovable y agua. Las fuentes ilustrativas para la energía renovable incluyen, pero no se limitan a la energía eólica, energía hidroeléctrica, energía solar, energía geotérmica, energía nuclear y combinaciones de las mismas. La energía y el agua producen hidrógeno y oxígeno según la siguiente reacción: 2 H2O electricidad ^ 2 H2 + O2 + calor. El O2 producido por la unidad de electrólisis 210 se proporciona a la unidad BOF 222 a través de un conducto 218. La unidad BOF 222 también recibe arrabio fundido a través del conducto 220 (típicamente, el arrabio fundido se recibe de un proceso de alto horno). El O2 se pasa sobre el arrabio fundido para producir acero, y un gas de salida que comprende CO y CO2. El gas de salida pasa por el conducto 226 a una unidad de tratamiento de gas 228, comprendiendo la unidad de tratamiento de gas 228 al menos un módulo de tratamiento de gas para eliminar uno o más contaminantes de la corriente de gas. El sustrato que contiene C1 que sale de la unidad de tratamiento de gas 228 pasa a un biorreactor 232 a través de un conducto 230. El hidrógeno producido en la unidad de electrólisis 210 puede pasar al biorreactor o a un medio de mezcla opcional a través del conducto 238. El H2 se puede mezclar con el sustrato que contiene C1 antes de que el sustrato que contiene C1 pase al biorreactor 230. El biorreactor funciona en condiciones para producir al menos un producto de fermentación mediante la fermentación del sustrato que contiene C1 por un cultivo de bacteria fijadora de C1. Los productos de fermentación se pueden recuperar a través del conducto 236. El sistema y proceso de la Figura 2, puede incluir además un medio de mezcla (no mostrado) para mezclar el sustrato que contiene C1 y la corriente de hidrógeno producida por el proceso de electrólisis. El sustrato que contiene C1 enriquecido con hidrógeno se proporciona al biorreactor 232. La composición del sustrato que contiene C1 enriquecido con hidrógeno y la cantidad de producto generado, se pueden definir generalmente mediante
la siguiente ecuación;
donde x > 2y para el consumo 2 \ de CO2. En algunos casos, el C02 puede estar presente en exceso de la cantidad estequiométrica,
El sistema descrito en la Figura 2, se puede aplicar a una serie de otros procesos industriales, que implican un proceso de oxidación parcial. A continuación se proporcionan ejemplos de integraciones.
Un alto horno (BF) y su suministro de gas y productos de gas: El H2 producido por electrólisis se combina con gas de cola de alto horno para ajustar la relación H2:CO:CO2 en el sustrato que contiene C1. El sustrato que contiene C1 resultante se proporciona a un proceso de fermentación para producir etanol u otros productos químicos. El O2 producido por el proceso de electrólisis se utiliza para suministrar los requerimientos de oxígeno al alto horno. El O2 producido por electrólisis sería suficiente para cumplir con los requisitos de oxígeno del alto horno, y minimizar el N2 (del enriquecimiento de la alimentación de O2) permitiría la producción de gases BF enriquecidos con gas C1. Los gases BF enriquecidos con C1 tendrían beneficios para reducir el costo de fermentación de esta corriente de gas combinada.
Materias primas gasificadas y su suministro de gas y productos de gas: El H2 producido por electrólisis se puede combinar con gases de biomasa gasificada/residuos sólidos municipales (RSM)/DSW/coque de petróleo/carbón/aceite pesado/petróleo/combustibles sólidos para ajustar la relación H2:CO:CO2 en el sustrato que contiene C1. El sustrato que contiene C1 resultante se proporciona a un proceso de fermentación para producir etanol u otros productos. El O2 producido por electrólisis se puede utilizar para suministrar los requisitos de oxígeno al gasificador para permitir la producción de gas de síntesis con bajo contenido de nitrógeno.
Siderurgia COREX/FINEX y su suministro de gas y productos de gas: El H2 producido por electrólisis se puede combinar con gases de cola COREX/FINEX para ajustar la relación H2:CO:CO2 del sustrato que contiene C1. El sustrato que contiene C1 resultante se proporciona a un proceso de fermentación para producir etanol u otros productos. El O2 producido por electrólisis se puede utilizar para suministrar los requisitos de oxígeno a la unidad COREX.
Dióxido de titanio y su suministro de gas y productos de gas: El H2 producido por electrólisis se puede combinar con gases de cola del proceso de producción de dióxido de titanio para ajustar la relación H2:CO:CO2 del sustrato que contiene C1. El sustrato que contiene C1 resultante se proporciona a un proceso de fermentación para producir etanol u otros productos. El O2 producido por electrólisis se puede utilizar para suministrar los requisitos de oxígeno a la unidad de producción de dióxido de titanio.
También se describe un proceso integrado para producir uno o más productos, comprendiendo el proceso; producir hidrógeno por electrólisis; mezclar al menos una parte del hidrógeno producido con una corriente gaseosa que comprende al menos un gas C1 para proporcionar una corriente gaseosa mezclada; pasar la corriente gaseosa mezclada a un biorreactor que contiene un cultivo de al menos una bacteria fijadora de C1; y fermentar el cultivo para producir uno o más productos de fermentación. El proceso de fermentación puede producir además una corriente de gas de salida que comprende CO2.
También se describe un proceso integrado que comprende: producir H2 y O2 por electrólisis de agua utilizando una fuente de energía renovable; proporcionar al menos una parte del O2 producido a un proceso industrial generador de C1; operar el proceso industrial generador de C1 en condiciones para generar un gas de cola que comprende al menos un componente C1, mezclar al menos una parte del gas de cola que comprende al menos un componente C1 con al menos una parte del hidrógeno producido para proporcionar un sustrato gaseoso que contiene C1; pasar el sustrato gaseoso que contiene C1 a un biorreactor que contiene un cultivo de bacteria fijadora de C1; y fermentar el sustrato gaseoso que contiene C1 para producir al menos un producto de fermentación.
También se describe un proceso integrado que comprende: producir H2 y O2 por electrólisis de agua utilizando una fuente de energía renovable, proporcionar al menos una parte del O2 producido a un proceso de oxidación parcial, generar un gas de cola que contiene C1 por oxidación parcial, mezclar al menos una parte del gas de cola que contiene C1 con al menos una parte del H producido2 para proporcionar un sustrato que contiene C1, pasar el sustrato que contiene C1 a un biorreactor que contiene un cultivo de bacteria fijadora de C1 y fermentar el sustrato que contiene C1 para producir al menos un producto de fermentación.
En algunos casos, las composiciones de los gases que contienen C1 no son ideales para el proceso de fermentación de la presente invención. Debido a restricciones geológicas, falta de fuentes de hidrógeno disponibles, o consideración de costos, el uso de los gases para procesos de fermentación no ha sido factible. Al utilizar hidrógeno renovable (por ejemplo, hidrógeno producido por electrólisis), pueden reducirse o eliminarse varias de estas restricciones. Asimismo, mezclar gas que contiene C1 con una corriente de hidrógeno renovable, proporciona una corriente de sustrato combinado energéticamente mejorada.
Una serie de procesos industriales que producen gases que contienen C1, que no son ideales para los procesos de fermentación C1 descritos en este documento, se han identificado e incluyen procesos de producción de cemento, centrales eléctricas de gas natural, procesos de refinería y procesos de fermentación en biorreactores de etanol. El proceso de producción de cemento normalmente produce corrientes de gas de salida ricas en CO2. El CO2 puede ser utilizado por microorganismos fijadores de C1, sin embargo, se requiere hidrógeno para proporcionar la energía necesaria para fijar el CO2 en productos.
La integración de un proceso de oxidación completo, como un proceso de producción de cemento, con un
electrolizador de CO2 y un proceso de fermentación de fijación de C1 proporciona una serie de beneficios sinérgicos que incluyen (i) proporcionar un mecanismo para convertir el CO2 a CO, que es un sustrato de fermentación energéticamente preferido; (ii) el O2 proporcionado por el proceso de electrólisis desplaza la alimentación de aire al proceso de producción de cemento con y aumenta la composición de CO2 en el gas de salida del proceso de producción de cemento; (iii) el CO2 producido por el proceso de fermentación se puede reciclar al electrolizador de CO2 y convertirse en sustrato de CO para la fermentación, disminuyendo así aún más las emisiones de CO2 por los procesos combinados.
La Figura 3 es una representación esquemática de sistemas integrados y un proceso. Una unidad de electrólisis 310 recibe energía y dióxido de carbono. Las fuentes ilustrativas para la energía renovable incluyen, pero no se limitan a la energía eólica, energía hidroeléctrica, energía solar, energía geotérmica, energía nuclear y combinaciones de las mismas. La energía y el CO2 producen monóxido de carbono y O2 de acuerdo con la siguiente reacción: 2 CO2+ electricidad ^ 2 CO O2 + calor. El O2 producido por el electrolizador 310 se proporciona a la unidad de producción de cemento 322 a través de un conducto 318, para desplazar el requerimiento de aire del proceso de producción de cemento. El gas de cola que comprende CO2 pasa a través del conducto 326 a una unidad de tratamiento de gas 328. La unidad de tratamiento de gas 328 comprende al menos un módulo de tratamiento de gas para eliminar uno o más contaminantes de la corriente de gas. El sustrato que contiene C1 que sale de la unidad de tratamiento de gas 328 pasa al electrolizador 310 a través de un conducto 330. El monóxido de carbono producido en el electrolizador 310 pasa al biorreactor 332 a través del conducto 338. El hidrógeno puede proporcionarse al biorreactor o mezclarse con la corriente de CO antes de que la corriente de CO pase al biorreactor. El biorreactor funciona en condiciones para producir al menos un producto de fermentación mediante la fermentación del sustrato que contiene C1 por un cultivo de bacteria fijadora de C1. Los productos de fermentación se pueden recuperar a través del conducto 336. El proceso de fermentación produce además un gas de salida que comprende CO2. Preferentemente, al menos una parte del CO2 en la corriente de gas de salida se pasa al electrolizador de CO2, a través del conducto 340, como materia prima para el proceso de electrólisis de CO2.
En otro aspecto, la invención proporciona un proceso integrado que comprende: producir CO y O2 por electrólisis de dióxido de carbono, proporcionar al menos una parte del O2 producido a un proceso industrial generador de C1, operar el proceso industrial generador de C1 en condiciones para generar un gas de cola que comprende al menos un componente C1, mezclar al menos una parte del CO producido con el componente C1 del gas de cola para proporcionar un sustrato que contiene C1 mezclado, pasar el sustrato que contiene C1 mezclado a un biorreactor que contiene un cultivo de bacterias anaerobias fijadoras de C1, y fermentar el sustrato que contiene C1 mezclado para producir al menos un producto de fermentación.
En una realización, la invención proporciona un proceso integrado que comprende: producir CO y O2 por electrólisis de dióxido de carbono, proporcionar al menos una parte del O2 producido a un proceso de oxidación parcial, generar un gas de cola que contiene C1 por oxidación parcial, mezclar al menos una parte del CO producido con al menos una parte del gas de cola que contiene C1 para proporcionar un sustrato que contiene C1 mezclado, pasar el sustrato combinado que contiene C1 a un biorreactor que contiene un cultivo de bacterias anaerobias fijadoras de C1 y fermentar el sustrato que contiene C1 para producir al menos un producto de fermentación.
El proceso de oxidación parcial es un proceso industrial que comprende una reacción de oxidación parcial. El proceso de oxidación parcial se selecciona del grupo que consiste en una reacción en horno de oxígeno básico (BOF), un proceso de fabricación de acero COREX o FINEX, un proceso de alto horno (BF), un proceso de ferroaleaciones; un proceso de producción de dióxido de titanio y un proceso de gasificación. El proceso de gasificación se selecciona del grupo que consiste en un proceso de gasificación de residuos sólidos urbanos, un proceso de gasificación de biomasa, un proceso de gasificación de coque de petróleo, y, un proceso de gasificación de carbón. En una realización preferente, el proceso de oxidación parcial es un proceso b Of .
El gas de cola que contiene C1 comprende al menos un componente C1. El componente C1 en el gas de cola que contiene C1 se selecciona del grupo que consiste en monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano y combinaciones de los mismos. El gas de cola que contiene C1 puede comprender además uno o más componentes no C1, como nitrógeno e hidrógeno. El gas de cola que contiene C1 puede comprender además componentes tóxicos o contaminantes del proceso industrial. En una realización preferente, el gas de cola que contiene C1 se pasa a una unidad de tratamiento de gas para la eliminación de al menos un componente contaminante o no C1, para proporcionar un gas de cola que contiene C1 purificado, antes de pasar al biorreactor.
También se describe un proceso integrado que comprende producir CO y O2 por electrólisis de CO2, proporcionar al menos una parte del O2 producido a un proceso de oxidación completo, generar un gas de cola que contiene CO2 por oxidación completa, pasar al menos una parte del gas de cola que contiene CO2 al proceso de electrólisis como materia prima; pasar al menos una parte del CO producido a un biorreactor que contiene un cultivo de bacterias fijadoras de C1 y fermentar el CO para producir al menos un producto de fermentación y una corriente de gas de cola del biorreactor que comprende CO2. Preferentemente, al menos una parte de la corriente de gas de cola del biorreactor que comprende CO2 se recicla al proceso de electrólisis de CO2.
La integración de un proceso de producción de cemento con un proceso de electrólisis de agua permite obtener un
sustrato gaseoso energéticamente mejorado. La integración tiene dos ventajas, (i) desplazar la alimentación de aire al proceso de producción de cemento con O2 del proceso de electrólisis, aumenta la composición de CO2 en el gas de salida del proceso de producción de cemento, y (ii) la mezcla del hidrógeno producido por el proceso de electrólisis con el gas rico en CO2 producido proporciona una corriente de gas de CO2 y H2 apta para procesos de fermentación.
Al menos una primera parte del CO2 del proceso de producción de cemento y una primera parte del hidrógeno del proceso de electrólisis se pueden proporcionar a un proceso de desplazamiento inverso de agua-gas (RWGS) para producir CO mediante la siguiente reacción estequiométrica:
CO2 + H2 CO H2O
El CO producido por el RWGS se puede mezclar con una segunda parte del CO2 derivado de la corriente de gas industrial y una segunda parte del hidrógeno producido para proporcionar un sustrato de fermentación que tiene una composición deseada. La composición deseada del sustrato de fermentación variará dependiendo del producto de fermentación deseado de la reacción de fermentación. Para la producción de etanol, por ejemplo, la composición
deseada se puede determinar mediante la siguiente fórmula:
puede tener una relación H2: CO de menos de 20:1 o menos de 15:1 o menos de 10:1 o menos de 8:1 o menos de 5:1 o menos de 3:1 con el CO2 disponible en al menos cantidades estequiométricas de acuerdo con la fórmula algebraica.
También se describe un proceso integrado que comprende: producir H2 y O2 por electrólisis de agua utilizando una fuente de energía renovable, proporcionar al menos una parte del O2 producido a un proceso de oxidación completo, generar un gas de cola que contiene C1 por oxidación completa; mezclar al menos una parte del gas de cola que contiene C1 con al menos una parte del H producido2 para proporcionar un sustrato que contiene C1, pasar el sustrato que contiene C1 a un biorreactor que contiene un cultivo de bacteria fijadora de C1 y fermentar el sustrato que contiene C1 para producir al menos un producto de fermentación.
El proceso de oxidación completa se selecciona del grupo que consiste en un proceso de producción de cemento, un proceso de energía de gas natural y un proceso de energía de carbón. El gas de cola que contiene C1 producido por oxidación completa comprende CO2. El gas de cola que contiene C1 producido por oxidación completa puede comprender además al menos un componente seleccionado del grupo que consiste en H2, CO y CH4.
La Figura 4 muestra un proceso esquemático para la integración de un proceso de producción de cemento con un proceso de electrólisis y un proceso de fermentación de gas. El H2 y el O2 se producen por electrólisis de energía renovable y agua en una unidad de electrólisis 410. El O2 producido se proporciona a una unidad de producción de cemento 422, para desplazar el requerimiento de aire del proceso de producción de cemento. El proceso de producción de cemento produce un gas de cola rico en CO2. Una primera parte del gas de cola rico en CO2 del proceso de producción de cemento y una primera parte del hidrógeno del proceso de electrólisis se envían a un reactor de desplazamiento inverso de agua y gas 428. El CO2 y el H2 reaccionan para producir una corriente de salida que comprende CO. Una segunda parte del gas de cola rico en CO2 del proceso de producción de cemento y una segunda parte del hidrógeno del proceso de electrólisis se mezclan con el gas de salida rico en CO del reactor RWGS para proporcionar un sustrato que contiene C1. El sustrato que contiene C1 se pasa a un biorreactor 432 que contiene un cultivo de bacterias fijadoras de C1. El sustrato que contiene C1 se fermenta para producir al menos un producto de fermentación.
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. Normalmente, el microorganismo es una bacteria fijadora de C1. En una realización preferente, el microorganismo es o deriva de un microorganismo fijador de C1 identificado en la Tabla 1. El microorganismo puede clasificarse basándose en características funcionales. Por ejemplo, el microorganismo puede ser o proceder de un microorganismo fijador de C1, un anaerobio, un acetógeno, un etanológeno y/o un carboxidótrofo. La tabla 1 proporciona una lista representativa de microorganismos e identifica sus características funcionales.
1 Acetobacterium woodi puede producir etanol a partir de fructosa, pero no a partir de gas.
2 Se ha informado que Acetobacterium woodi puede crecer en CO, pero la metodología es cuestionable.
3 No se ha investigado si Clostridium magnum puede crecer con CO.
4 Una cepa de Moorella thermoacetica, Moorella sp. HUC22-1, se ha indicado que 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 o CO2. "C1-oxigenado" se refiere a una molécula de un carbono que también comprende al menos un átomo de oxígeno, por ejemplo, CO o CO2. "Fuente de carbono C1" se refiere a una molécula de carbono que sirve como fuente de carbono parcial o única para el microorganismo. Por ejemplo, una fuente de carbono C1 puede comprender uno o más de CO, CO2, o CH2O2. 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. Normalmente, el microorganismo es una bacteria fijadora de c1. En una realización preferente, el microorganismo es o deriva de un microorganismo fijador de C1 identificado en la Tabla 1.
Un "anaerobio" es un microorganismo que no requiere oxígeno para su crecimiento. Un anaerobio puede reaccionar negativamente o incluso morir si hay oxígeno por encima de un umbral determinado. Normalmente, el microorganismo es un anaerobio (es decir, es anaeróbico). En una realización preferente, el microorganismo es o deriva de un anaerobio identificado en la Tabla 1.
Un "acetógeno" es un microorganismo que produce o es capaz de producir acetato (o ácido acético) como un producto de la respiración anaeróbica. Normalmente, los acetógenos son bacterias anaerobias obligadas que utilizan la ruta de Wood-Ljungdahl como su mecanismo principal para la conservación de energía y para la síntesis de acetil-CoA y productos derivados de acetil-CoA, tales como acetato (Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784: 1873-1898, 2008). Los acetógenos utilizan la ruta de la acetil-CoA como un (1) mecanismo para la síntesis reductora de acetil-CoA a partir de CO2, (2) terminal de aceptación de electrones, proceso de conservación de energía, (3) mecanismo para la fijación (asimilación) de CO2 en la síntesis de carbono celular (Drake, Acetogenic Prokaryotes, En: The Prokaryotes, 3a edición, p. 354, Nueva York, Nueva York, 2006). Todos los acetógenos de origen natural son fijadores de C1, anaeróbicos, autótrofos y no metanótrofos. En una realización preferente, el microorganismo es un acetógeno. En una realización preferente, el microorganismo es o deriva de un acetógeno identificado en la Tabla 1.
Un "etanológeno" es un microorganismo que produce o es capaz de producir etanol. En una realización preferente, el microorganismo es un etanológeno. En una realización preferente, el microorganismo de la invención es o deriva de un etanológeno identificado en la Tabla 1.
Un "autótrofo" es un microorganismo capaz de crecer sin carbono orgánico. En cambio, los autótrofos utilizan fuentes de carbono inorgánico, tal como CO y/o CO2. En una realización preferente, el microorganismo es un autótrofo. En una realización preferente, el microorganismo de la invención es o deriva de un autótrofo identificado en la Tabla 1.
Un "carboxidótrofo" es un microorganismo capaz de utilizar CO como única fuente de carbono. En una realización preferente, el microorganismo es un carboxidótrofo. En una realización preferente, el microorganismo de la invención es o deriva de un carboxidótrofo identificado en la Tabla 1.
En determinadas realizaciones, el microorganismo no consume ciertos sustratos, tal como metano o metanol. En una realización, el microorganismo no es un metanótrofo y/o no es un metilótrofo.
De manera más amplia, el microorganismo puede ser o proceder de cualquier género o especie identificada en la Tabla 1. Por ejemplo, el microorganismo puede ser un miembro del género Clostridium.
En una realización preferente, el microorganismo puede ser o proceder del grupo de Clostridia que comprende las especies Clostridium autoethanogenum, Clostridium Ijungdahlii y Clostridium ragsdalei. Estas especies fueron descritas 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, documento WO 2008/028055 (Clostridium ragsdalei).
Estas tres especies tienen muchas similitudes. En particular, todas estas especies son miembros fijadores de C1, anaeróbicos, acetógenos, etanologénicos y carboxidotróficos del género Clostridium. Estas especies tienen genotipos y fenotipos y modos de conservación de energía y metabolismo fermentativo similares. Asimismo, estas especies están agrupadas en el grupo I de homología de ARNr de los clostridios con ADN de ARNr 16S que tiene una identidad mayor del 99 %, tienen un contenido de G+C en el ADN de aproximadamente 22-30 % en moles, son grampositivas, tienen una morfología y un tamaño similares (células en crecimiento logarítmico entre 0,5-0,7 * 3-5 μm), son mesófilas (crecen de manera óptima a 30-37 °C), tienen intervalos de pH similares de aproximadamente 4 a 7,5 (con un pH óptimo de aproximadamente 5,5 a 6), carecen de citocromos y conservan energía a través de un complejo de Rnf. También, en estas especies, se ha demostrado la reducción de ácidos carboxílicos en sus correspondientes alcoholes (Perez, Biotechnol Bioeng, 110:1066-1077, 2012). De manera importante, 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 desechos de 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). Asimismo, estas especies difieren en la auxotrofía de 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 comprobado que la organización general y el número de estos genes y proteínas son idénticos en todas las especies (Kopke, Curr Opin Biotechnol, 22: 320-325, 2011).
Así pues, resumiendo, muchas de las características de Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, o Clostridium ragsdalei no son específicas de esa especie, pero son características bastante generales para este grupo de miembros fijadores de C1, anaeróbicos, acetógenos, etanologénicos y carboxidotróficos del género Clostridium. Sin embargo, ya que estas especies son, de hecho, distintas, la modificación o manipulación genética de una de estas especies puede que no tenga el mismo efecto en otra de estas especies. Por ejemplo, diferencias en el crecimiento, el rendimiento o la producción del producto se pueden observar.
El microorganismo puede ser o derivarse también de un aislado o mutante de Clostridium autoethanogenum, Clostridium Ijungdahlii o Clostridium ragsdalei. Los aislados y mutantes de Clostridium autoethanogenum incluyen JA1-1 (DSM10061) (Abrini, Arch Microbiol, 161: 345-351, 1994), LBS1560 (DSM19630) (documento WO 2009/064200) y LZ1561 (DSM23693). Aislados y mutantes de Clostridium ljungdahlii incluyen ATCC 49587 (Tanner, Int J Syst Bacteriol, 43: 232-236, 1993), PETCT (DSM13528, ATCC 55383), ERI-2 (ATCC 55380) (documento US 5.593.886), C-01 (ATCC 55988) (documento US 6.368.819), O-52 (ATCC 55989) (documento 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) (documento WO 2008/028055).
El término "derivado de" se refiere a un microorganismo modificado o adaptado de un microorganismo diferente (por ejemplo, un parental o de tipo silvestre), para producir un nuevo microorganismo. Dichas modificaciones o adaptaciones normalmente incluyen inserción, deleción, mutación o sustitución de ácidos nucleicos o genes.
"Sustrato" se refiere a una fuente de carbono y/o de energía para el microorganismo de la invención. Normalmente, el sustrato es gaseoso y comprende una fuente de carbono C1, por ejemplo, CO, CO2 y/o CH4. Preferentemente, el sustrato comprende una fuente de carbono C1 de CO o CO CO2. El sustrato puede comprender además otros componentes que no sean carbono, tales como H2, N2 o electrones.
El sustrato generalmente comprende al menos alguna 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 comprende aproximadamente el 40-70 % en moles de CO (por ejemplo, gas de acería o gas de horno de oxígeno básico), aproximadamente el 20-30 % en moles de CO (por ejemplo, gas de alto horno) 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 no comprende nada o sustancialmente nada (<1 % en moles) 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 no comprende nada o sustancialmente nada (<1 % en moles) 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 no comprende nada o sustancialmente nada (<1 % en moles) de CO2.
Aunque el sustrato es normalmente gaseoso, el sustrato también puede proporcionarse 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.
El sustrato y/o la fuente de carbono C1 puede ser un gas residual obtenido como un subproducto de un proceso industrial o de alguna otra fuente, gasificación de biomasa. En determinadas realizaciones, el proceso industrial se selecciona del grupo que consiste en la fabricación de productos de metales ferrosos, tales como la fabricación de una acería, fabricación de productos no ferrosos, procesos de refinamiento de petróleo, gasificación de carbón, producción de energía eléctrica, producción de negro de carbón, producción de amoniaco, producción de metanol y fabricación de coque. En estas realizaciones, el sustrato y/o la fuente de carbono C1 puede capturarse del proceso industrial antes de ser emitido a la atmósfera, usando cualquier método conveniente.
En realizaciones particulares, el proceso industrial es un proceso de fabricación de acero seleccionado de procesos de horno de oxígeno básico, de alto horno y de horno de coque. El gas de horno de coque (COG) tiene una composición típica del 5-10 % de CO, 55 % de H2, 3-5 % de CO2, 10 % de N2 y 25 % de CH4. La composición típica del gas de alto horno (BF) es 20-35 % de CO, 2-4 % de H2, 20-30 % de CO2 y 50-60 % de N2. Un gas típico de horno de oxígeno básico (bOf) comprende 50-70 % de CO, 15-25 % de CO2, 15-25 % de N2 y 1-5 % de H2.
El sustrato y/o la fuente de carbono C1 puede ser 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.
La composición del sustrato puede tener un impacto significativo sobre la eficacia 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, lavar o filtrar el sustrato para eliminar cualquier
impureza no deseable, tales como toxinas, componentes no deseados o partículas de polvo y/o aumentar la concentración de componentes deseables.
La composición del sustrato gaseoso que contiene C1 variará según factores que incluyen el tipo de proceso industrial utilizado y la materia prima proporcionada al proceso industrial. No todos los sustratos gaseosos que contienen C1 producidos tendrán una composición de gas ideal para un proceso de fermentación. La mezcla de los gases que contienen C1 con una corriente de hidrógeno renovable, una corriente de CO adicional o conversión de CO2 en el sustrato C1 a CO, proporciona una corriente de gas mezclado energéticamente mejorada.
Operar el proceso de fermentación en presencia de hidrógeno tiene el beneficio adicional de reducir la cantidad de CO2 producido por el proceso de fermentación. Por ejemplo, un sustrato gaseoso que comprende un mínimo de H2, normalmente producirá etanol y CO2 mediante la siguiente estequiometría [6 CO 3 H2O ^ C2H5OH 4 CO2]. A medida que aumenta la cantidad de hidrógeno utilizado por la bacteria fijadora de C1, la cantidad de CO2 producido disminuye [por ejemplo, 2 CO 4 H2 -> C2H5OH H2O]. La forma general de la ecuación es:
Cuando el CO es la única fuente de carbono y energía para la producción de etanol, una parte del carbono se pierde en CO2 como sigue:
6 CO 3 H2O -> C2H5OH 4 CO2 (AG° = -224,90 kJ/mol de etanol)
En estos casos, donde una cantidad sustancial de carbono se está desviando a CO2, es deseable pasar el CO2 de regreso al proceso industrial (es decir, en un proceso de gasificación) o alternativamente enviar el CO2 a un reactor de desplazamiento inverso de agua y gas. De acuerdo con la presente invención, cuando un electrolizador de CO2 está presente, el gas de cola de CO2 se puede reciclar al electrolizador para reducirlo a CO y O2.
A medida que la cantidad de H2 disponible en el sustrato aumenta, la cantidad de CO2 producido disminuye. A una relación estequiométrica de 1:2 (CO/H2), se evita por completo la producción CO2
5 CO 1 H2 + 2 H2O -> 1 C2H5OH 3 CO2 (AG° = -204,80 kJ/mol de etanol)
4 CO 2 H2 + 1 H2O -> 1 C2H5OH 2 CO2 (AG° = -184,70 kJ/mol de etanol)
3 CO 3 H2 -> 1 C2H5OH 1 CO2 (AG° = -164,60 kJ/mol de etanol)
En una fermentación, cuando el CO2 es la fuente de carbono y el H2 es la fuente de electrones, la estequiometria es la siguiente
2 CO2 + 6 H2 -> C2H5OH 3 H2O (AG° = -104,30 kJ/mol de etanol)
El subproducto O2 del proceso de producción de electrólisis puede utilizarse en el proceso industrial para la producción de CO2 gas. En el caso de procesos de oxidación completa, el subproducto O2 de la electrólisis reemplazaría la alimentación de aire típicamente requerida. La adición de oxígeno en lugar de aire aumenta la composición de CO2 en el gas de salida del proceso. Por ejemplo, alimentado con 100 % de oxígeno: CH4+ 2 O2 CO2 + 2H2O proporciona el 100 % de concentración de CO2 en el gas de salida; mientras que el aire alimentado: CH4 2 O2 + 7,5 N2 ^ CO2 + 2H2O 7,5 N2 proporciona un 12 % de CO2 en el gas de salida.
La materia prima de CO2 se puede mezclar con hidrógeno producido por electrólisis para proporcionar una materia prima optimizada para un proceso de fermentación de CO2 y H2, [por ejemplo, 6 H2 + 2 CO2 ^ C2H5OH 3 H2O] La bacteria fijadora de C1 es típicamente una bacteria anaeróbica seleccionada del grupo que consiste en carboxidótrofos, autótrofos, acetógenos y etanológenos. Más particularmente, la bacteria fijadora de C1 se selecciona del género Clostridium. En realizaciones particulares, la bacteria fijadora de C1 se selecciona del grupo que consiste en Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii y Clostridium ragsdalei.
El microorganismo de la invención puede cultivarse para producir uno o más productos. Por 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 WO 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 determinadas realizaciones, la biomasa microbiana en sí puede considerarse un producto.
Un "producto natural" es un producto generado por un microorganismo sin modificar genéticamente. Por ejemplo, etanol, acetato y 2,3-butanodiol son productos naturales de Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii y Clostridium ragsdalei. Un "producto no natural" es un producto que se genera por un microorganismo modificado genéticamente, pero no se produce por un microorganismo sin modificar genéticamente a partir del que procede el microorganismo modificado genéticamente.
"Que aumenta la eficacia", "eficacia aumentada", y similares incluyen, pero no se limitan a, tasa de crecimiento que aumenta, tasa o volumen de generación de producto, volumen de producto por volumen de sustrato consumido o selectividad de producto. La eficacia puede medirse respecto al rendimiento del microorganismo parental a partir del que se deriva el microorganismo de la invención.
Normalmente, el cultivo se realiza en un biorreactor. El término "biorreactor" incluye un dispositivo de cultivo/fermentación que consiste en uno o más recipientes, torres o estructuras de tuberías, tal como un reactor de tanque agitado continuo (CSTR, del inglés "continuous stirred tank reactor"), un reactor de células inmovilizadas (ICR, del inglés "immobilized cell reactor"), un reactor de lecho percolador (TBR, del inglés "trickle bed reactor"), una columna de burbujeo, un fermentador de elevación de gases, un mezclador estático u otro recipiente u otro dispositivo adecuado para el contacto gas-líquido. En algunas realizaciones, el biorreactor puede comprender un primer reactor de crecimiento y un segundo reactor de cultivo/fermentación. El sustrato se puede proporcionar a uno de estos reactores o a ambos. Como se usa en el presente documento, los términos "cultivo" y "fermentación" se utilizan indistintamente. Estos términos abarcan tanto la fase de crecimiento como la fase de biosíntesis del producto del proceso de cultivo/fermentación.
El cultivo generalmente se mantiene en un medio de cultivo acuoso que contiene nutrientes, vitaminas y/o minerales suficientes para permitir el crecimiento del microorganismo. Preferentemente, el medio de cultivo acuoso es un medio de crecimiento microbiano anaerobio, tal como un medio de crecimiento microbiano anaerobio mínimo. En la técnica se conocen bien medios adecuados.
Es deseable que el cultivo/fermentación se lleve a cabo en condiciones apropiadas para la producción del producto diana. Normalmente, el cultivo/fermentación se realiza en condiciones anaerobias. Las condiciones de reacción a considerar incluyen presión (o presión parcial), temperatura, caudal de gas, caudal de líquido, pH de los medios, potencial redox de los medios, velocidad de agitación (en caso de utilizar un reactor de tanque agitado de flujo continuo), nivel de inóculo, concentraciones máximas de sustrato gaseoso para garantizar que el gas en la fase líquida no se vuelve limitante y concentraciones máximas del producto para evitar la inhibición del producto. En particular, la tasa de introducción del sustrato puede controlarse para asegurar que la concentración de gas en la fase líquida no se vuelva limitante, dado que los productos pueden consumirse por el cultivo en condiciones limitadas de gas.
La operación de un biorreactor a presiones elevadas permite una tasa aumentada de transferencia de masa de gas de la fase gaseosa a la fase líquida. En consecuencia, generalmente es preferible realizar el cultivo/fermentación a presiones mayores que la presión atmosférica. También, dado que una tasa de conversión de gas dada es, en parte, una función del tiempo de retención del sustrato y que el tiempo de retención dictamina el volumen requerido de un biorreactor, el uso de sistemas presurizados puede reducir en gran medida el volumen del biorreactor necesario y, en consecuencia, el gasto de capital del equipo de cultivo/fermentación. Esto, a su vez, significa que el tiempo de retención, definido como el volumen líquido en el biorreactor dividido por la tasa de flujo de gas aportado, puede reducirse cuando los biorreactores se mantienen a presión elevada, en vez de a presión atmosférica. Las condiciones de reacción óptimas dependerán en parte del microorganismo particular utilizado. Sin embargo, en general, es preferible llevar a cabo la fermentación a presiones más altas que la presión atmosférica. También, dado que una tasa de conversión de gas dada es en parte una función del tiempo de retención del sustrato y que a su vez conseguir el tiempo de retención deseado dictamina el volumen necesario de un biorreactor, el uso de sistemas presurizados puede reducir en gran medida el volumen necesario del biorreactor y en consecuencia, el coste de capital del equipo de fermentación.
Los productos diana pueden separarse o purificarse a partir de un caldo de fermentación utilizando cualquier método o combinación de métodos conocidos en la técnica, incluyendo, por ejemplo, destilación fraccionada, evaporación, pervaporación, extracción de gas, separación de fases y fermentación extractiva, incluyendo, por ejemplo, extracción líquido-líquido. En determinadas realizaciones, los productos diana se recuperan del caldo de fermentación eliminando continuamente una parte del caldo del biorreactor, separando las células microbianas del caldo (convenientemente por filtración) y recuperando uno o más productos diana del caldo. Los alcoholes y/o acetona puede(n) recuperarse, por ejemplo, mediante destilación. Los ácidos pueden recuperarse, por ejemplo, por adsorción sobre carbón activado. Las células microbianas separadas se devuelven preferentemente al biorreactor. El permeado sin células que queda después de que se hayan eliminado los productos diana preferentemente se devuelve también al biorreactor. Se pueden añadir nutrientes adicionales (tales como vitaminas B) al permeado sin células para reponer el medio nutritivo antes de que se devuelva al biorreactor.
Ejemplos
Los siguientes ejemplos ilustran adicionalmente la invención pero, por supuesto, no debe interpretarse como una limitación de su alcance de ninguna manera.
Ejemplo de referencia 1
Este ejemplo describe la integración de un proceso de horno de oxígeno básico (BOF) con un proceso de electrólisis y un proceso de fermentación, para proporcionar un sustrato de fermentación que tenga una composición mejorada, resultando así en un rendimiento mejorado del producto de fermentación.
El proceso BOF produce un gas de cola BOF que tiene la siguiente composición: el 50-70 % de CO, el 15-25 % de CO2 y el 15-25 % de N2, y el 0,5-3 % de H2.
El proceso de electrólisis produce hidrógeno y oxígeno de la siguiente manera: 2H2O electricidad -> 2H2 + O2 calor. El oxígeno producido por el proceso de electrólisis si se proporciona el BOF para compensar el requerimiento de oxígeno.
El hidrógeno producido por el proceso de electrólisis se mezcla con el gas de cola BOF para proporcionar un sustrato de fermentación que comprende una relación H2:CO:CO2 de 10:3,5:1. El sustrato de fermentación se proporciona a un biorreactor que contiene un cultivo de la cepa Clostridium autoethanogenum depositado en la DSMZ con el número de registro DSM23693.
La estequiometría general del proceso de la reacción es la siguiente:
La provisión de un proceso de integración de un proceso de electrólisis, con un proceso BOF y un proceso de fermentación, da como resultado la producción de etanol y la mitigación de CO2 como producto de desecho.
Ejemplo 2
Este ejemplo describe la integración de un proceso de horno de oxígeno básico (BOF) con un proceso de electrólisis y un proceso de fermentación, para proporcionar un sustrato de fermentación que tenga una composición mejorada, resultando así en un rendimiento mejorado del producto de fermentación.
El proceso BOF produce un gas de cola BOF que tiene la siguiente composición: el 50-70 % de CO, el 15-25 % de CO2 y el 15-25 % de N2, y el 0,5-3 % de H2.
El proceso de electrólisis produce monóxido de carbono y oxígeno de la siguiente manera: 2CO2 + electricidad -> 2CO O2 calor.
El oxígeno producido por el proceso de electrólisis si se proporciona el BOF para compensar el requerimiento de oxígeno.
El monóxido de carbono producido por el proceso de electrólisis se mezcla con el gas de cola BOF para proporcionar un sustrato de fermentación que comprende una relación H2:CO:CO2 [relación necesaria]. El sustrato de fermentación se proporciona a un biorreactor que contiene un cultivo de la cepa Clostridium autoethanogenum depositado en la DSMZ con el número de registro DSM23693. El sustrato se fermenta para producir uno o más productos de fermentación, incluyendo etanol y una corriente de gas de cola. El CO2 de la corriente de gas de cola del biorreactor se captura y se envía a una unidad de electrólisis de CO2, el CO producido se recicla de nuevo al fermentador, y el O2 producido se recicla de nuevo a la fabricación de acero. El 100 % de O2 para la fabricación de acero desplaza otras
fuentes de O2 (típicamente el 94 % de O2, y el 6 % de N2) que reduce el N2 en los gases de escape de la fabricación de acero y enriquece los gases, mejorando ambas unidades de proceso.
La estequiometría general del proceso de la reacción es la siguiente:
La referencia a cualquier técnica anterior en esta memoria descriptiva no es y no debería tomarse como, un reconocimiento de que esa técnica anterior forma parte del conocimiento general común en el campo de la actividad en cualquier país.
Se ha de interpretar que el uso de los términos "un", "uno/una" y "el/la" y las referencias similares en el contexto de la descripción de la invención (especialmente en el contexto de las siguientes reivindicaciones) abarcan tanto el singular como el plural, a menos que se indique lo contrario en el presente documento o el contexto lo contradiga claramente. Las expresiones "que comprende", "que tiene(n)", "que incluye(n)", y "que contiene(n)" se han de interpretar como expresiones abiertas (es decir, que significan "que incluye(n), aunque no de forma limitativa"), salvo que se indique lo contrario. La enumeración de intervalos de valores en el presente documento meramente pretende servir como método abreviado de hacer referencia de manera individual a cada valor separado que se encuentre dentro del intervalo, salvo que se indique lo contrario en el presente documento y cada valor separado se incorpora a la memoria descriptiva como si se enumerara de manera individual en el presente documento. Todos los métodos o procesos descritos en el presente documento pueden realizarse en cualquier orden adecuado a menos que se indique lo contrario en el presente documento o el contexto lo contradiga claramente. El uso de cualquiera y todos los ejemplos o lenguaje ilustrativo (por ejemplo, "tal como") proporcionados en el presente documento, tiene por objeto simplemente ilustrar mejor la invención y no plantea una limitación en el alcance de la invención, a menos que se reivindique de otro modo. Ningún lenguaje en la memoria descriptiva ha de interpretarse como una indicación de que cualquier elemento no reivindicado sea esencial para la práctica de la invención.
Claims (10)
1. Un proceso para mejorar la eficiencia de captura de carbono en un proceso integrado de fermentación e industrial, en el que el proceso comprende:
i. hacer pasar una materia prima que comprende CO2 a un proceso de electrólisis para producir un sustrato derivado de la electrólisis que comprende CO y O2;
ii. mezclar al menos una parte del CO del sustrato derivado de la electrólisis con un gas de cola que contiene C1 de un proceso industrial para proporcionar un sustrato que contiene C1 mezclado;
iii. pasar el sustrato mezclado que contiene C1 a un biorreactor que contiene un cultivo de al menos una bacteria anaerobia fijadora de C1; y
iv. fermentar el cultivo para producir uno o más productos de fermentación, y en el que al menos una parte del O2 de (i) se pasa al proceso industrial.
2. El proceso de la reivindicación 1, en el que el proceso de electrólisis requiere una entrada de energía, y la entrada de energía se deriva de una fuente de energía renovable.
3. El proceso de la reivindicación 1 en el que el proceso industrial es un proceso de oxidación parcial, en el que dicho proceso de oxidación parcial se selecciona del grupo que consiste en una reacción en horno de oxígeno básico (BOF); un proceso de fabricación de acero COREX o FINEX, un proceso de alto horno (BF), un proceso de ferroaleaciones; un proceso de producción de dióxido de titanio y un proceso de gasificación.
4. El proceso de la reivindicación 3, en el que el proceso de oxidación parcial es un proceso de gasificación, y en el que el proceso de gasificación se selecciona del grupo que consiste en un proceso de gasificación de residuos sólidos municipales, un proceso de gasificación de biomasa, un proceso de gasificación de coque de petróleo y un proceso de gasificación de carbón.
5. El proceso de la reivindicación 1 en el que el proceso industrial comprende un proceso de oxidación completa seleccionado del grupo que consiste en procesos de producción de cemento, centrales eléctricas de gas natural y centrales eléctricas de carbón.
6. El proceso de la reivindicación 1, en el que el gas de cola que contiene C1 comprende CO, CO2 y H2.
7. El proceso de la reivindicación 1, en el que el sustrato combinado que contiene C1 comprende además del CO al menos un componente seleccionado del grupo que consiste en CO2, H2, CH4.
8. El proceso de la reivindicación 1, en el que al menos una bacteria anaerobia fijadora de C1 se selecciona del género Clostridium.
9. El proceso de la reivindicación 8, en el que al menos una bacteria anaerobia fijadora de C1 se selecciona del grupo que consiste en Clostridium autoethanogenum, Clostridium Ijungdahlii y Clostridium ragsdalei.
10. El proceso de la reivindicación 1, en el que el al menos un producto de fermentación se selecciona del grupo que consiste en etanol, acetato, butanol, butirato, 2,3-butanodiol, lactato, buteno, butadieno, metil etil cetona, etileno, acetona, isopropanol, lípidos, 3-hidroxipropionato, isopreno, ácidos grasos, 2-butanol, 1,2-propanodiol y 1-propanol.
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