ES2960999T3 - Proceso de fermentación para producir etanol - Google Patents
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Abstract
La invención proporciona métodos mediante los cuales se mejora la economía del proceso de fermentación de gas. La invención prevé la integración de un proceso de fermentación con un proceso industrial y un proceso electrolizador. La invención proporciona el suministro intermitente de materia prima del electrolizador desde el proceso del electrolizador al biorreactor para la fermentación. La materia prima del electrolizador puede desplazar al menos una parte de la materia prima C1 del proceso industrial. La materia prima del electrolizador puede complementar la materia prima C1 del proceso industrial. El hecho de que la materia prima del electrolizador complemente o desplace o no la materia prima C1 con materia prima del electrolizador puede basarse en una función del costo por unidad de la materia prima C1, el costo por unidad de la materia prima del electrolizador y el valor por unidad del producto de fermentación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Proceso de fermentación para producir etanol
Campo de la invención
La invención se refiere a procesos y métodos para mejorar la economía de un proceso de fermentación de gas. En concreto, la invención se refiere a la combinación de un proceso de fermentación con un proceso industrial y un proceso de electrolizador donde la materia prima del electrolizador del proceso del electrolizador se pasa de manera intermitente a un biorreactor para la fermentación.
Antecedentes de la invención
El dióxido de carbono (CO<2>) representa aproximadamente el 76 % de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero procedentes de actividades humanas, representando el metano (16 %), el óxido nitroso (6 %) y los gases fluorados (2 %) el resto (Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos). La reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, particularmente CO<2>, es fundamental para detener el avance del calentamiento global y los cambios que lo acompañan en el clima y el tiempo.
Desde hace tiempo se reconoce que los procesos catalíticos, tales como el proceso de Fischer-Tropsch, pueden usarse para convertir gases que contienen dióxido de carbono (CO<2>), monóxido de carbono (CO) y/o hidrógeno (H<2>), en diversos combustibles y productos químicos. Recientemente, sin embargo, la fermentación de gases ha surgido como una plataforma alternativa para la fijación biológica de dichos gases. En concreto, se ha demostrado que los microorganismos fijadores de C1 convierten gases que contienen CO<2>, CO, CH4y/o H<2>en productos tales como etanol y 2,3-butanodiol.
Estos gases pueden derivarse, por ejemplo, de procesos industriales, incluido el gas procedente de la fermentación de carbohidratos, gas procedente de la fabricación de cemento, fabricación de pulpa y papel, fabricación de acero, refinado de petróleo y procesos asociados, producción petroquímica, producción de coque, digestión anaeróbica o aeróbica, gas de síntesis (derivado de fuentes que incluyen, entre otras, biomasa, corrientes de residuos líquidos, corrientes de residuos sólidos, corrientes municipales, recursos fósiles, incluidos gas natural, carbón y petróleo), extracción de gas natural, extracción de petróleo, procesos metalúrgicos, para la producción y/o refinamiento de aluminio, cobre y/o ferroaleaciones, yacimientos geológicos y procesos catalíticos (derivados de fuentes de vapor, incluidos, entre otros, el reformado de metano con vapor, reformado de nafta con vapor, gasificación del coque de petróleo, regeneración del catalizador - craqueo de catalizador fluido, regeneración de catalizadores (reformado de nafta y reformado de metano seco).
En determinados procesos industriales, el suministro de gas puede ser insuficiente para el proceso de fermentación. Cuando el suministro de gas resulta insuficiente para el proceso de fermentación, la tasa de producción del proceso de fermentación es inferior a la óptima, lo que da como resultado menos productos producidos de los que el proceso de fermentación sería capaz de producir de otro modo.
Además, con un mercado en constante ajuste, el valor de los productos producidos por el proceso de fermentación gaseosa varía. Cuando el valor de los productos producidos por la fermentación gaseosa sea elevado en comparación con el coste de producción de dichos productos, es ventajoso aumentar la tasa de producción del proceso de fermentación.
Al aumentar la tasa de producción del proceso de fermentación en momentos en que el valor de mercado de dichos productos es alto en relación con el coste de producir dichos productos, se puede optimizar la economía del proceso de fermentación.
En consecuencia, sigue siendo necesario mejorar la integración de los procesos de fermentación con los procesos industriales, donde los problemas asociados con el suministro de materia prima se reducen y el proceso de fermentación es capaz de producir a niveles máximos en momentos en que dicha producción es económicamente óptima.
El documento US 2013/06 describe sistemas y métodos para emplear microorganismos quimioautótrofos para capturar carbono de desechos industriales. Un sistema de ejemplo comprende una fuente industrial, tal como una planta de cemento y un biorreactor que incluya los microorganismos. El biorreactor se alimenta con el flujo de residuos desde la fuente, que proporciona carbono a los microorganismos y también se alimenta de hidrógeno, de donde los microorganismos obtienen su energía. Se puede proporcionar carbono adicional o alternativo a partir de un gasificador alimentado con una materia prima orgánica. El carbono proporcionado a los microorganismos se convierte en productos químicos que pueden recuperarse del biorreactor. El hidrógeno se puede producir mediante electrólisis utilizando electricidad generada por una fuente de energía renovable.
Breve sumario de la invención
La invención se establece en el conjunto de reivindicaciones adjunto y proporciona un método para mejorar el rendimiento y/o la economía de un proceso de fermentación.
En determinados casos, se utilizan múltiples procesos de electrolizador para proporcionar uno o ambos de CO y H<2>al biorreactor.
En determinados casos, la materia prima C1 deriva de un proceso industrial seleccionado del grupo que comprende: gas de fermentación de carbohidratos, gas procedente de la fabricación de cemento, fabricación de pulpa y papel, fabricación de acero, refinado de petróleo y procesos asociados, producción petroquímica, producción de coque, digestión anaeróbica o aeróbica, gas de síntesis (derivado de fuentes que incluyen, entre otras, biomasa, corrientes de residuos líquidos, corrientes de residuos sólidos, corrientes municipales, recursos fósiles, incluidos gas natural, carbón y petróleo), extracción de gas natural, extracción de petróleo, procesos metalúrgicos, para la producción y/o refinamiento de aluminio, cobre y/o ferroaleaciones, yacimientos geológicos y procesos catalíticos (derivados de fuentes de vapor, incluidos, entre otros, el reformado de metano con vapor, reformado de nafta con vapor, gasificación del coque de petróleo, regeneración del catalizador - craqueo de catalizador fluido, regeneración de catalizadores (reformado de nafta y reformado de metano seco). En determinados casos, la materia prima C1 deriva de una combinación de dos o más fuentes. En determinados casos, la materia prima C1 puede comprender además H<2>.
En determinados casos, la materia prima del electrolizador comprende CO. La materia prima del electrolizador que comprende CO deriva de la electrólisis de un sustrato gaseoso que contiene CO<2>. El sustrato gaseoso que contiene CO<2>puede derivar de cualquier corriente de gas que contenga CO<2>. En casos particulares, esta corriente de gas que contiene CO<2>deriva al menos en parte del grupo que comprende: gas procedente de la fermentación de carbohidratos, gas procedente de la fabricación de cemento, fabricación de pulpa y papel, fabricación de acero, refinado de petróleo y procesos asociados, producción petroquímica, producción de coque, digestión anaeróbica o aeróbica, gas de síntesis (derivado de fuentes que incluyen, entre otras, biomasa, corrientes de residuos líquidos, corrientes de residuos sólidos, corrientes municipales, recursos fósiles, incluidos gas natural, carbón y petróleo), extracción de gas natural, extracción de petróleo, procesos metalúrgicos, para la producción y/o refinamiento de aluminio, cobre y/o ferroaleaciones, yacimientos geológicos y procesos catalíticos (derivados de fuentes de vapor, incluidos, entre otros, el reformado de metano con vapor, reformado de nafta con vapor, gasificación del coque de petróleo, regeneración del catalizador -craqueo de catalizador fluido, regeneración de catalizadores (reformado de nafta y reformado de metano seco). En casos particulares, el sustrato gaseoso que contiene CO<2>deriva de una combinación de dos o más fuentes.
En determinados casos, la materia prima del electrolizador comprende H<2>. La materia prima del electrolizador que comprende H<2>deriva de la electrólisis del agua (H<2>O). Esta agua puede obtenerse de numerosas fuentes. En diversos ejemplos, el agua puede obtenerse del proceso industrial y/o del proceso de fermentación. En diversos ejemplos, el agua puede obtenerse de un proceso de tratamiento de aguas residuales. En casos particulares, el agua se obtiene de una combinación de dos o más fuentes.
La invención mejora la economía del proceso de fermentación desplazando al menos una porción de la materia prima C1 del proceso industrial con materia prima del electrolizador del proceso del electrolizador. En diversos casos, cuando la materia prima del electrolizador comprende H<2>, la materia prima del electrolizador desplaza al menos una porción de la materia prima C1 del proceso industrial como medio para ajustar la relación molar de H<2>:COCO<2>de la materia prima que pasa al proceso de fermentación. En determinados casos, la materia prima del electrolizador que comprende H<2>aumenta la relación molar de H<2>en la materia prima que pasa al proceso de fermentación.
Se completa el desplazamiento de la materia prima C1 del proceso industrial con materia prima de electrolizador de un proceso de electrolizador, al menos en parte, en función del coste por unidad de la materia prima C1 y el coste por unidad de la materia prima del electrolizador. La materia prima para electrolizador desplaza al menos una porción de la materia prima C1 cuando el coste por unidad de materia prima del electrolizador es menor que el coste por unidad de materia prima C1.
En casos particulares, la economía del proceso de fermentación se puede mejorar suplementando al menos una porción de la materia prima C1 del proceso industrial con materia prima del electrolizador del proceso del electrolizador. Se puede completar la complementación de la materia prima C1 con la materia prima del electrolizador, al menos en parte, cuando el suministro de materia prima C1 es insuficiente para el proceso de fermentación.
En determinados casos, la materia prima del electrolizador complementa al menos una porción de la materia prima C1 en función del costo por unidad de la materia prima del electrolizador y el valor por unidad del producto de fermentación.
En determinados casos, la materia prima del electrolizador complementa al menos una parte de la materia prima C1 en función del coste por unidad de la materia prima C1, el coste por unidad de la materia prima del electrolizador y el valor por unidad del producto de fermentación.
En determinados casos, la materia prima del electrolizador complementa la materia prima C1 cuando el coste por unidad de la materia prima del electrolizador es menor que el valor por unidad del producto de fermentación. El coste por unidad de materia prima del electrolizador puede ser menor que el valor por unidad del producto de fermentación cuando se reduce el coste de la electricidad. En determinados casos, el coste de la electricidad se reduce debido a que la electricidad proviene de una fuente de energía renovable. En determinados casos, la fuente de energía renovable se selecciona del grupo que consiste en solar, hidro, viento, geotermia, biomasa y nuclear.
La suplementación de la materia prima C1 que comprende CO<2>con materia prima del electrolizador que comprende H<2>puede dar como resultado una serie de beneficios, incluyendo, pero sin limitaciones, aumento de la cantidad de CO<2>fijado en uno o más productos de fermentación. Por lo tanto, en diversos ejemplos, la materia prima del electrolizador que comprende H<2>complementa la materia prima C1 que comprende CO<2>para aumentar la cantidad de CO<2>fijado en el uno o más productos de fermentación.
En casos particulares, la materia prima C1 contiene proporciones de diversos constituyentes que requieren eliminación. En estos casos, la materia prima C1 se trata para eliminar uno o más constituyentes antes de pasar la materia prima C1 al biorreactor. Los constituyentes eliminados de la materia prima C1 se pueden seleccionar del grupo que comprende: compuestos de azufre, compuestos aromáticos, alquinos, alquenos, alcanos, olefinas, compuestos de nitrógeno, compuestos que contienen fósforo, materia particulada, sólidos, oxígeno, oxigenados, compuestos halogenados, compuestos que contienen silicio, carbonilos, metales, alcoholes, ésteres, cetonas, peróxidos, aldehídos, éteres y alquitranes.
En casos particulares, la materia prima del electrolizador contiene proporciones de diversos constituyentes que requieren eliminación. En estos casos, la materia prima del electrolizador se trata para eliminar uno o más constituyentes antes de pasar la materia prima del electrolizador al biorreactor. Los constituyentes eliminados de la materia prima del electrolizador se pueden seleccionar del grupo que comprende: compuestos de azufre, compuestos aromáticos, alquinos, alquenos, alcanos, olefinas, compuestos de nitrógeno, compuestos que contienen fósforo, materia particulada, sólidos, oxígeno, oxigenados, compuestos halogenados, compuestos que contienen silicio, carbonilos, metales, alcoholes, ésteres, cetonas, peróxidos, aldehídos, éteres y alquitranes. En casos particulares, al menos un constituyente eliminado de la materia prima del electrolizador comprende oxígeno. Al menos uno de los constituyentes eliminados puede producirse, introducirse y/o concentrarse mediante el proceso del electrolizador. Por ejemplo, se puede producir oxígeno, introducir y/o concentrar mediante electrólisis del dióxido de carbono. En diversos ejemplos, el oxígeno es un subproducto del proceso del electrolizador. En realizaciones particulares, el oxígeno se produce y/o concentra en el proceso del electrolizador.
El oxígeno es un inhibidor de microbios para muchos cultivos bacterianos. Como tal, el oxígeno puede estar inhibiendo el proceso de fermentación aguas abajo. Para pasar una corriente de gas no inhibidora al biorreactor donde se puede fermentar, puede ser necesario eliminar al menos una porción de oxígeno, u otro constituyente de la materia prima del electrolizador mediante uno o más módulos de eliminación.
En determinados casos, la materia prima C1 se pasa al proceso de fermentación a presión. En estos casos, la materia prima C1 del proceso industrial se pasa a uno o más módulos de presión antes de pasar al biorreactor para la fermentación.
En determinados casos, la materia prima del electrolizador se pasa al proceso de fermentación a presión. En estos casos, la materia prima del electrolizador del proceso del electrolizador se pasa a uno o más módulos de presión antes de pasar al biorreactor para la fermentación.
Además, el proceso del electrolizador puede completarse a presión. Cuando se completa a presión, el material que se está electrolizando se presuriza antes de ser alimentado al proceso del electrolizador. En determinados casos, el material que se electroliza es una corriente de gas que contiene CO<2>. En los casos en que la corriente de gas que contiene CO<2>se presuriza antes de ser electrolizada, la corriente de gas que contiene CO<2>puede pasarse a un módulo de presión antes de pasarse al módulo de electrólisis.
Al menos en una realización, el método reduce los costes asociados de producir diversos productos de fermentación. Uno de los uno o más productos de fermentación es etanol. Al menos uno de los uno o más productos de fermentación se puede seleccionar del grupo que consiste en acetato, butirato, 2,3-butanodiol, lactato, buteno, butadieno, cetonas, metil etil cetona, etileno, acetona, isopropanol, lípidos, 3-hidroipropionato, isopreno, ácidos grasos, 2-butanol, 1,2-propanodiol, 1-propanol y alcoholes C6-C12. Al menos uno de los productos de fermentación se puede convertir además en al menos un componente de diésel, combustible para aviones y/o gasolina.
Al menos uno de los uno o más productos de fermentación puede ser biomasa producida por cultivo. Al menos una parte de la biomasa microbiana se puede convertir en una proteína unicelular (SCP). Al menos una parte de la proteína unicelular se puede utilizar como componente de piensos para animales.
Al menos en una realización, el proceso del electrolizador está alimentado, al menos en parte, por una fuente de energía renovable. En determinados casos, la fuente de energía renovable se selecciona del grupo que consiste en solar, hidro, eólica, geotermia, biomasa y nuclear.
En ciertas realizaciones, el proceso industrial puede producir además un sustrato gaseoso posfermentación. En diversos ejemplos, este sustrato gaseoso posfermentación comprende al menos una porción de CO<2>. En realizaciones particulares, el sustrato gaseoso posfermentación se pasa al proceso del electrolizador.
En casos particulares, el sustrato gaseoso posfermentación contiene proporciones de diversos constituyentes que requieren eliminación. En estos casos, el sustrato gaseoso posfermentación se trata para eliminar uno o más constituyentes antes de pasar el sustrato gaseoso posfermentación al proceso del electrolizador. Los constituyentes eliminados del sustrato gaseoso posfermentación pueden seleccionarse del grupo que comprende: compuestos de azufre, compuestos aromáticos, alquinos, alquenos, alcanos, olefinas, compuestos de nitrógeno, compuestos que contienen fósforo, materia particulada, sólidos, oxígeno, oxigenados, compuestos halogenados, compuestos que contienen silicio, carbonilos, metales, alcoholes, ésteres, cetonas, peróxidos, aldehídos, éteres y alquitranes.
En casos particulares, al menos un constituyente eliminado del sustrato gaseoso posfermentación comprende azufre. Al menos uno de estos constituyentes eliminados puede producirse, introducirse y/o concentrarse mediante el proceso de fermentación. Por ejemplo, azufre, en forma de sulfuro de hidrógeno (H<2>S) puede producirse, introducirse y/o concentrarse mediante el proceso de fermentación. En realizaciones particulares, se introduce sulfuro de hidrógeno en el proceso de fermentación. En diversas realizaciones, el sustrato gaseoso posfermentación comprende al menos una porción de sulfuro de hidrógeno. El sulfuro de hidrógeno puede ser un inhibidor del catalizador. Como tal, el sulfuro de hidrógeno puede ser inhibidor para electrolizadores particulares. Para hacer pasar un sustrato gaseoso posfermentación no inhibidor al electrolizador puede ser necesario eliminar al menos una porción del sulfuro de hidrógeno, u otro constituyente presente en el sustrato gaseoso posfermentación mediante uno o más módulos de eliminación.
En diversas realizaciones, el constituyente eliminado del sustrato gaseoso posfermentación, la materia prima industrial y/o la materia prima del electrolizador es un inhibidor de microbios y/o un inhibidor de catalizador.
Al menos un módulo de eliminación puede seleccionarse del grupo que comprende: módulo de hidrólisis, módulo de eliminación de gas ácido, módulo de desoxigenación, módulo de hidrogenación catalítica, módulo de eliminación de partículas, módulo de eliminación de cloruro, módulo de eliminación de alquitrán y módulo de eliminación de cianuro de hidrógeno.
En determinados casos, el proceso de electrolizador puede producir una corriente enriquecida en monóxido de carbono y una corriente enriquecida en oxígeno. En diversos ejemplos, al menos una porción de la corriente enriquecida en monóxido de carbono separada puede pasarse al biorreactor para su fermentación. En algunos casos, la corriente enriquecida con oxígeno puede pasarse al proceso industrial para mejorar aún más el rendimiento y/o la economía del proceso industrial.
En diversas realizaciones en las que la materia prima del electrolizador comprende H<2>, el H<2>puede mejorar la composición del sustrato de fermentación. El hidrógeno proporciona la energía que necesita el microorganismo para convertir los gases que contienen carbono en productos útiles. Cuando se proporcionan concentraciones óptimas de hidrógeno, el cultivo microbiano puede producir los productos de fermentación deseados, por ejemplo etanol, sin la coproducción de dióxido de carbono.
Preferentemente, el cultivo bacteriano en el biorreactor comprende una bacteria carboxidotrófica. La bacteria carboxidotrófica se puede seleccionar del grupo que comprendeMoorella, Clostridium, Ruminococcus, Acetobacterium, Eubacterium, Butyribacterium, Oxobacter, Methanosarcina,yDesulfotomaculum.Preferentemente, la bacteria carboxidotrófica esClostridium autoethanogenum.
En una o más realizaciones, la invención (i) disminuye el coste asociado con la producción de uno o más productos de fermentación y/o (ii) aumenta la cantidad total de carbono convertido en producto, en comparación con un proceso DE electrolizador.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama de flujo esquemático que representa la integración de un proceso industrial y un proceso de electrolizador con un proceso de fermentación.
La figura 2 es un diagrama de flujo esquemático que representa la integración de un proceso industrial y un proceso electrolizador con un proceso de fermentación que incluye además un módulo de eliminación para procesar la materia prima C1, de acuerdo con un aspecto de la invención.
La figura 3 es un diagrama de flujo esquemático que representa la integración de un proceso industrial y un proceso de electrolizador con un proceso de fermentación que incluye además un módulo de eliminación para procesar la materia prima del electrolizador, de acuerdo con un aspecto de la invención.
La figura 4 es un diagrama de flujo esquemático que representa la integración de un módulo de presión opcional para presurizar la materia prima del electrolizador y un módulo de presión opcional para presurizar la materia prima C1, de acuerdo con un aspecto de la invención.
La figura 5 es un diagrama de flujo esquemático que representa la integración de un proceso de electrolizador y un proceso de fermentación en el que un sustrato gaseoso posfermentación pasa desde el proceso de fermentación al proceso de electrolizador, de acuerdo con un aspecto de la invención.
La figura 6 es un diagrama de flujo esquemático que representa la integración de un módulo de eliminación para procesar el sustrato gaseoso posfermentación, de acuerdo con un aspecto de la invención.
La figura 7 es un diagrama de flujo esquemático que representa la mezcla de una o más de las corrientes de uno o más procesos electrolizadores y/o el proceso industrial, de acuerdo con un aspecto de la invención.
La figura 8 es un gráfico que muestra el precio de la electricidad en Bélgica durante un período de diecinueve días, con un promedio de un punto de datos cada cuatro minutos.
Descripción detallada de la invención
Los inventores han identificado que la integración de un proceso de fermentación de gas con un proceso industrial y un proceso electrolizador, donde el proceso del electrolizador suministra intermitentemente una materia prima al electrolizador, es capaz de mejorar sustancialmente el rendimiento y/o la economía del proceso de fermentación.
Definiciones
A menos que se defina lo contrario, los siguientes términos utilizados a lo largo de esta memoria descriptiva se definen de la siguiente manera:
El término "materia prima del electrolizador", puede incluir cualquier sustrato que salga del electrolizador. La materia prima del electrolizador se compone de CO, H<2>o combinaciones de los mismos. En determinados casos, la materia prima del electrolizador puede contener porciones de CO<2>no convertido. Si el coste por unidad de materia prima del electrolizador es menor que el coste por unidad de materia prima C1, la materia prima del electrolizador se alimenta desde el proceso del electrolizador al proceso de fermentación.
El término "materia prima C1", puede incluir cualquier sustrato que salga del proceso industrial. La materia prima C1 se compone de CO, CO<2>o combinaciones de los mismos. En diversos ejemplos, la materia prima C1 comprende además H<2>. La materia prima C1 pasa del proceso industrial al proceso de fermentación.
Los términos "mejorar la economía", "optimizar la economía" y similares, cuando se utilizan en relación con un proceso de fermentación, incluyen, pero sin limitación, el aumento de la cantidad de uno o más de los productos producidos por el proceso de fermentación durante períodos de tiempo en los que el valor de los productos producidos es alto en relación con el costo de producir dichos productos. La economía del proceso de fermentación se puede mejorar aumentando el suministro de materia prima al biorreactor, lo que se puede lograr, por ejemplo, complementando la materia prima C1 del proceso industrial con materia prima del electrolizador del proceso del electrolizador. El suministro adicional de materia prima puede dar como resultado una mayor eficiencia del proceso de fermentación. Otro medio de mejorar la economía del proceso de fermentación es seleccionar materia prima basándose en el coste relativo de la materia prima disponible. Cuando el coste de la materia prima C1 del proceso industrial es mayor que el coste de la materia prima del electrolizador del proceso del electrolizador, la materia prima del electrolizador se utiliza para desplazar al menos una parte de la materia prima C1. Seleccionando la materia prima basándose en el coste de dicha materia prima, se reduce el coste de producir el producto de fermentación resultante.
El proceso de electrolizador es capaz de suministrar materia prima que comprende uno o ambos de H<2>y CO. El "coste por unidad de materia prima del electrolizador" se expresa en términos del etanol producido por el proceso de fermentación y cualquier materia prima del electrolizador. Para la producción de etanol con la materia prima del electrolizador definida como H<2>, el coste por unidad de materia prima del electrolizador se define mediante la siguiente ecuación:
donde z representa el coste de la energía, x representa la eficiencia de la electrólisis e y representa el rendimiento de etanol.
Para la producción de etanol con la materia prima del electrolizador definida como CO, el coste por unidad de materia prima del electrolizador se define mediante la siguiente ecuación:
donde z representa el coste de la energía, x representa la eficiencia de la electrólisis e y representa el rendimiento de etanol.
Además del coste de la materia prima, el proceso de fermentación incluye "costes de producción". Los "costes de producción" excluyen el coste de la materia prima. "Costes de producción", "coste marginal de producción" y similares, incluyen los costes operativos variables asociados con la ejecución del proceso de fermentación. Este valor puede depender del producto que se esté produciendo. El coste marginal de producción puede estar representado por un coste fijo por unidad de producto, que puede representarse en términos del poder calorífico de la combustión del producto. Por ejemplo, el cálculo del coste marginal de producción de etanol se define mediante la siguiente ecuación:
$c (1 tonelada m étrica\
x
tonelada métrica { 26,8 G]etanol )
donde c representa los costes operativos variables asociados con el funcionamiento del biorreactor y 26,8 GJ representa el poder calorífico inferior de la combustión de etanol. En determinados casos, los costes operativos variables asociados con el funcionamiento del biorreactor, c, es 200 de $ para el etanol excluyendo el precio del H<2>/COCO<2>.
El proceso de fermentación es capaz de producir una serie de productos. Cada producto define un valor diferente. El "valor del producto" puede determinarse basándose en el precio de mercado actual del producto y el poder calorífico de la combustión del producto. Por ejemplo, el cálculo del valor del etanol se define mediante la siguiente ecuación:
donde z es el valor actual de etanol por tonelada métrica y 26,8 GJ representa el poder calorífico inferior de la combustión de etanol.
Para optimizar la economía del proceso de fermentación, el valor del producto producido debe exceder el "coste de producción" de dicho producto. El coste de producción de un producto se define como la suma del "coste de la materia prima" y el "coste marginal de producción". La economía del proceso de fermentación se puede expresar en términos de una relación definida por el valor del producto producido en comparación con el coste de producción de dicho producto. La economía del proceso de fermentación mejora a medida que aumenta la relación entre el valor del producto y el coste de producir dicho producto. La economía del proceso de fermentación puede depender del valor del producto producido, que puede cambiar dependiendo, al menos en parte, del proceso de fermentación implementado, incluyendo, pero sin limitaciones, el cultivo bacteriano y/o la composición del gas utilizado en el proceso de fermentación. Cuando el etanol es el producto producido por el proceso de fermentación, la economía puede determinarse mediante la siguiente proporción:
donde z representa el valor del etanol, x representa el coste de la materia prima e y representa el coste marginal de producción (excluyendo la materia prima).
Las expresiones "aumento de la eficiencia", "mayor eficiencia" y similares, cuando se utilizan en relación con un proceso de fermentación, incluyen, pero sin limitación, aumentar una o más de las tasas de crecimiento de los microorganismos que catalizan la fermentación, la tasa de crecimiento y/o producción del producto a concentraciones elevadas del producto, el volumen de producto deseado producido por volumen de sustrato consumido, la tasa de producción o nivel de producción del producto deseado, y la proporción relativa del producto deseado producido en comparación con otros subproductos de la fermentación. En determinados casos, la materia prima del electrolizador aumenta la eficiencia del proceso de fermentación.
El término "insuficiente" y similares, cuando se utiliza en relación con el suministro de materia prima para el proceso de fermentación, incluye, pero sin limitación, cantidades inferiores a las óptimas, por lo que el proceso de fermentación produce menos cantidad de producto de fermentación que la que produciría de otro modo el proceso de fermentación si el proceso de fermentación hubiera sido suministrado con mayores cantidades de materia prima. Por ejemplo, el suministro de materia prima puede resultar insuficiente en momentos en que el proceso industrial no proporciona suficiente materia prima C1 para abastecer adecuadamente el proceso de fermentación. Preferentemente, el proceso de fermentación se suministra con cantidades óptimas de materia prima de manera que la cantidad de producto de fermentación no esté limitada por el suministro de materia prima.
"Sustrato gaseoso que contiene C1" puede incluir cualquier gas que contenga uno o ambos de dióxido de carbono y monóxido de carbono. El sustrato gaseoso normalmente contendrá una proporción significativa de CO<2>, preferentemente al menos de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 100 % de CO2 en volumen. Además, el sustrato gaseoso puede contener uno o más de hidrógeno (H<2>), oxígeno (O<2>), nitrógeno (N<2>) y/o metano (CFU). Si bien no es necesario que el sustrato contenga hidrógeno, la presencia de H<2>no debería ser perjudicial para la formación del producto de acuerdo con los métodos de la invención. En realizaciones particulares, la presencia de hidrógeno da como resultado una eficiencia general mejorada de la producción de alcohol. En una realización, el sustrato comprende aproximadamente el 30 % o menos de H<2>en volumen, 20 % o menos de H<2>en volumen, aproximadamente el 15 % o menos de H<2>en volumen o aproximadamente el 10 % o menos de H<2>en volumen. En otras realizaciones, la corriente de sustrato comprende bajas concentraciones de H<2>, por ejemplo, menos del 5 % o menos del 4 % o menos del 3 % o menos del 2 % o menos del 1 %, o está sustancialmente libre de hidrógeno. El sustrato también puede contener algo de CO, por ejemplo, tal como de aproximadamente un 1 % a aproximadamente un 80 % de CO en volumen, o de un 1 % a aproximadamente un 30 % de CO en volumen. En una realización, el sustrato comprende menos de o igual a aproximadamente un 20 % de CO en volumen. En realizaciones particulares, el sustrato comprende menos o igual a aproximadamente un 15 % de CO en volumen, menos o igual a aproximadamente un 10 % de CO en volumen, menos o igual a aproximadamente un 5 % de CO en volumen o sustancialmente nada de CO.
La composición del sustrato se puede mejorar para proporcionar una proporción molar de H<2>:CO:CO<2>deseada u óptima. La proporción molar de H2:C0:C02 deseada depende del producto de fermentación deseado del proceso de
fermentación. Para el etanol, la proporción molar de H2:C0:C02 deseada sería: producción donde x >2y,para satisfacer la estequiometría molar del etanol
Operar el proceso de fermentación en presencia de hidrógeno, tiene el beneficio adicional de reducir la cantidad de CO<2>producido por el proceso de fermentación. Por ejemplo, un sustrato gaseoso que comprende un mínimo de H<2>, normalmente producirá etanol y CO<2>mediante la siguiente estequiometría molar [6 CO 3 H<2>O ^ C<2>H<5>OH 4CO<2>]. A medida que aumenta la cantidad de hidrógeno utilizado por la bacteria fijadora de C1, la cantidad de CO<2>producido disminuye [es decir, 2 CO 4 H<2>^ C<2>H<5>OH H<2>O].
Cuando el CO es la única fuente de carbono y energía para la producción de etanol, se pierde una parte del carbono se pierde en forma de CO<2>como sigue:
6 CO 3 H<2>O ^ C<2>H<5>OH 4 CO<2>(AG° = -224,90 kJ/mol de etanol)
A medida que aumenta la cantidad de H<2>disponible en el sustrato, la cantidad de CO<2>producido disminuye. En una proporción estequiométrica molar de 1:2 (CO/H<2>), se evita por completo la producción de CO<2>.
5 CO 1 H<2>+ 2 H<2>O ^ 1 C<2>H<5>OH 3 CO<2>(AG° = -204,80 kJ/mol de etanol)
4 CO 2 H<2>+ 1 H<2>O ^ 1 C<2>H<5>OH 2 CO<2>(AG° = -184,70 kJ/mol de etanol)
3 CO 3 H<2>^ 1 C<2>H<5>OH 1 CO<2>(AG° = -164,60 kJ/mol de etanol)
"Corriente de gas" se refiere a cualquier corriente de sustrato que sea capaz de pasar, por ejemplo, de un módulo a otro, de un módulo a un biorreactor, de un proceso a otro proceso y/o de un módulo a un medio de captura de carbono. "Reactivos", como se utiliza en el presente documento, se refiere a una sustancia que participa y sufre cambios durante una reacción química. En realizaciones particulares, los reactivos incluyen, pero sin limitación, CO y/o H<2>.
Los "inhibidores de microbios", como se utilizan en el presente documento, se refieren a uno o más constituyentes que ralentizan o previenen una reacción química particular u otro proceso que incluye el microbio. En realizaciones particulares, los inhibidores de microbios incluyen, pero sin limitación, oxígeno (O<2>), cianuro de hidrógeno (HCN), acetileno (C<2>H<2>) y BTEX (benceno,tolueno, benceno deetilo,xileno).
"Inhibidor del catalizador", "inhibidor adsorbente" y similares, como se usan en el presente documento, se refieren a una o más sustancias que disminuyen la tasa de, o previenen, una reacción química. En realizaciones particulares, los inhibidores del catalizador y/o adsorbente pueden incluir, pero sin limitación, sulfuro de hidrógeno (H<2>S) y sulfuro de carbonilo (COS).
"Módulo de eliminación", "módulo de limpieza", "módulo de procesamiento" y similares incluyen tecnologías que son capaces de convertir y/o eliminar inhibidores de microbios y/o inhibidores de catalizadores de la corriente de gas.
El término "constituyentes", "contaminantes" y similares, como se usan en el presente documento, se refiere a los inhibidores de microbios y/o inhibidores de catalizadores que pueden encontrarse en la corriente de gas. En realizaciones particulares, los constituyentes incluyen, pero sin limitación, compuestos de azufre, compuestos aromáticos, alquinos, alquenos, alcanos, olefinas, compuestos de nitrógeno, compuestos que contienen fósforo, materia particulada, sólidos, oxígeno, oxigenados, compuestos halogenados, compuestos que contienen silicio, carbonilos, metales, alcoholes, ésteres, cetonas, peróxidos, aldehídos, éteres y alquitranes. Preferentemente, los componentes eliminados por el módulo de eliminación no incluyen dióxido de carbono (CO<2>).
La expresión "gas tratado" se refiere a la corriente de gas que ha pasado a través de al menos un módulo de eliminación y al que se le han eliminado y/o convertido uno o más constituyentes.
El término "captura de carbono", tal como se utiliza en el presente documento, se refiere al secuestro de compuestos de carbono, incluidos CO<2>y/o CO de una corriente que comprende CO<2>y/o CO y ya sea:
convertir el CO<2>y/o el C<o>en productos; o
convertir el CO<2>y/o el CO en sustancias adecuadas para el almacenamiento a largo plazo; o
atrapar el CO<2>y/o CO en sustancias aptas para almacenamiento a largo plazo;
o una combinación de estos procesos.
El término "biorreactor" incluye un dispositivo de fermentación que consiste en uno o más recipientes y/o torres o disposiciones de tuberías, que incluye el reactor de tanque agitado continuo (CSTR), reactor de células inmovilizadas (ICR), reactor de lecho percolador (TBR), columna de burbujas, fermentador de elevación de gas, mezcladora estática, un reactor de circuito circulado, un reactor de membrana, tal como un biorreactor de membrana de fibra hueca (HFM BR) u otro recipiente u otro dispositivo adecuado para el contacto gas-líquido. El reactor está preferentemente adaptado para recibir un sustrato gaseoso que comprende CO o CO<2>o H<2>o mezclas de los mismos. El reactor puede comprender múltiples reactores (etapas), ya sea en paralelo o en serie. Por ejemplo, el reactor puede comprender un primer reactor de crecimiento en el que se cultivan las bacterias y un segundo reactor de fermentación, al que se puede alimentar el caldo de fermentación del reactor de crecimiento y en el que se pueden producir la mayoría de los productos de fermentación.
"Medios nutritivos" o "medio nutritivo" se utiliza para describir los medios de crecimiento bacteriano. Generalmente, este término se refiere a un medio que contiene nutrientes y otros componentes apropiados para el crecimiento de un cultivo microbiano. El término "nutriente" incluye cualquier sustancia que pueda utilizarse en una vía metabólica de un microorganismo. Los nutrientes de ejemplo incluyen potasio, vitaminas B, trazas de metales y aminoácidos.
El término "caldo de fermentación" o "caldo" pretende abarcar la mezcla de componentes que incluyen medios nutritivos y un cultivo o uno o más microorganismos. Cabe señalar que el término microorganismo y el término bacteria se utilizan indistintamente a lo largo del documento.
El término "ácido", tal como se utiliza en el presente documento, incluye tanto ácidos carboxílicos como el anión carboxilato asociado, tal como la mezcla de ácido acético libre y acetato presente en un caldo de fermentación como se describe en el presente documento. La proporción de ácido molecular a carboxilato en el caldo de fermentación depende del pH del sistema. Adicionalmente, el término "acetato" incluye tanto la sal de acetato sola como una mezcla de ácido acético libre o molecular y sal de acetato, tal como la mezcla de sal de acetato y ácido acético libre presente en un caldo de fermentación como se describe en el presente documento.
La expresión "composición deseada" se utiliza para referirse al nivel deseado y los tipos de componentes en una sustancia, tal como, por ejemplo, de una corriente de gas. Más particularmente, se considera que un gas tiene una "composición deseada" si contiene un componente particular (es decir, CO, H<2>y/o CO<2>) y/o contiene un componente particular en una proporción particular y/o no contiene un componente particular (es decir, un constituyente dañino para los microorganismos) y/o no contiene un componente particular en una proporción particular. Se puede considerar más de un componente al determinar si una corriente de gas tiene la composición deseada.
A menos que el contexto requiera otra cosa, las expresiones "fermentar", "proceso de fermentación" o "reacción de fermentación" y similares, como se usan en el presente documento, se prevé que abarquen tanto la fase de crecimiento como la fase de biosíntesis del producto del sustrato gaseoso.
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".
Un "microorganismo parental" es un microorganismo utilizado para generar un microorganismo de la invención. El microorganismo parental puede ser un microorganismo de origen natural (es decir, un microorganismo de tipo salvaje) o un microorganismo que ha sido previamente modificado (es decir, un microorganismo mutante o recombinante). El microorganismo de la invención puede modificarse para expresar o sobreexpresar una o más enzimas que no se expresaron o sobreexpresaron en el microorganismo parental. De forma similar, el microorganismo de la invención puede modificarse para contener uno o más genes que no estaban contenidos en el microorganismo parental. El microorganismo de la invención también puede modificarse para no expresar o expresar cantidades más bajas de una o más enzimas que se expresaron en el microorganismo parental. En una realización, el microorganismo parental esClostridium autoethanogenum, Clostridium IjungdahliioClostridium ragsdalei.En una realización preferida, el microorganismo parental esClostridium autoethanogenumLZ1561, que fue depositado el 7 de junio, con la Colección Alemana de Microorganismos y Cultivos Celulares GmbH (DSMZ) ubicada en InhoffenstralJ 7B, D-3Braunschwieg, Alemania el 7 de junio, bajo los términos del Tratado de Budapest y se le otorgó el número de acceso DSM23693. Esta cepa se describe en la solicitud de patente internacional n.° PCT/NZ2011/000144, que se publicó como WO 2012/015317.
La expresión "derivado de" indica que un ácido nucleico, proteína o microorganismo se modifica o adapta a partir de un ácido nucleico, proteína o microorganismo diferente (es decir, parental o de tipo salvaje), para producir un nuevo ácido nucleico, proteína o microorganismo. Dichas modificaciones o adaptaciones suelen incluir la inserción, deleción, mutación o sustitución de ácidos nucleicos o genes. Generalmente, el microorganismo de la invención deriva de un microorganismo parental. En una realización, el microorganismo de la invención deriva deClostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahliioClostridium ragsdalei.En una realización preferida, el microorganismo de la invención deriva deClostridium autoethanogenumLZ1561, que está depositado con el número de acceso DSMZ DSM23693.
"Wood-Ljungdahl" se refiere a la vía Wood-Ljungdahl de fijación de carbono como describe, es decir, Ragsdale,Biochim Biophys Acta,1784: 1873-1898, 2008. "Microorganismos Wood-Ljungdahl" se refiere, de forma predecible, a microorganismos que contienen la vía Wood-Ljungdahl. Generalmente, el microorganismo de la invención contiene una vía nativa de Wood-Ljungdahl. En el presente documento, una vía Wood-Ljungdahl puede ser una vía Wood-Ljungdahl nativa, no modificada o puede ser una vía Wood-Ljungdahl con algún grado de modificación genética (es decir, sobreexpresión, expresión heteróloga, inactivación, etc.) siempre que siga funcionando para convertir CO, CO<2>y/o H<2>en acetil-CoA.
"C1" se refiere a una molécula de un carbono, por ejemplo, CO, CO<2>, CH<4>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, CO<2>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, CO<2>, CH<4>, CH3OH o CH<2>O<2>. Preferentemente, la fuente de carbono C1 comprende uno o ambos de CO y CO<2>. 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 de la invención es una bacteria fijadora de C1.
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. Sin embargo, algunos anaerobios son capaces de tolerar niveles bajos de oxígeno (es decir, 0,000001-5 % en volumen de oxígeno). Normalmente, el microorganismo de la invención es un anaerobio.
los "acetógenos" son bacterias anaerobias obligadas que usan la vía de Wood-Ljungdahl como su mecanismo principal para la conservación energética y para la síntesis de acetil-CoA y productos derivados de acetil-CoA, tales como acetato (Ragsdale,Biochim Biophys Acta,1784: 1873-1898, 2008). En concreto, los acetógenos usan la vía de lWood-Ljungdah como (1) mecanismo para la síntesis reductora de la acetil-CoA a partir de CO<2>, (2) proceso de conservación de energía aceptor de electrones terminales, (3) mecanismo para la fijación (asimilación) de CO<2>en 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. Normalmente, el microorganismo de la invención es un acetógeno.
Un "etanológeno" es un microorganismo que produce o tiene la capacidad de producir etanol. Normalmente, el microorganismo de la invención es un etanológeno.
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 CO<2>. Normalmente, el microorganismo de la invención es un autótrofo.
Un "carboxidótrofo" es un microorganismo capaz de utilizar CO como única fuente de carbono y energía. Normalmente, el microorganismo de la invención es un carboxidótrofo.
Un "metanótrofo" es un microorganismo capaz de utilizar metano como única fuente de carbono y energía. En ciertas realizaciones, el microorganismo de la invención es un metanótrofo o deriva de un metanótrofo. En otras realizaciones, el microorganismo de la invención no es un metanótrofo o no deriva de un metanótrofo.
"Sustrato" se refiere a una fuente de carbono y/o energía para el microorganismo de la invención. Normalmente, el sustrato es gaseoso y comprende una fuente de carbono C1, por ejemplo, CO, CO<2>y/o CH<4>. Preferentemente, el sustrato comprende una fuente de carbono C1 de CO o CO CO<2>. El sustrato puede comprender además otros componentes distintos del carbono, tal como H<2>, N2 o electrones.
El término "cosustrato" se refiere a una sustancia que, aunque no es necesariamente la fuente primaria de energía y material para la síntesis del producto, se puede utilizar para la síntesis de productos cuando se añade a otro sustrato, tal como el sustrato primario.
El sustrato y/o la fuente de carbono C1 puede ser un gas residual obtenido como subproducto de un proceso industrial o 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 gas procedente de la fermentación de carbohidratos, gas procedente de la fabricación de cemento, fabricación de pulpa y papel, fabricación de acero, refinado de petróleo y procesos asociados, producción petroquímica, producción de coque, digestión anaeróbica o aeróbica, gas de síntesis (derivado de fuentes que incluyen, entre otras, biomasa, corrientes de residuos líquidos, corrientes de residuos sólidos, corrientes municipales, recursos fósiles, incluidos gas natural, carbón y petróleo), extracción de gas natural, extracción de petróleo, procesos metalúrgicos, para la producción y/o refinamiento de aluminio, cobre y/o ferroaleaciones, yacimientos geológicos y procesos catalíticos (derivados de fuentes de vapor, incluidos, entre otros, el reformado de metano con vapor, reformado de nafta con vapor, gasificación del coque de petróleo, regeneración del catalizador - craqueo de catalizador fluido, regeneración de catalizadores (reformado de nafta y reformado de metano seco). En diversos ejemplos, 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.
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 (O<2>) 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.
En ciertas realizaciones, la fermentación se realiza en ausencia de sustratos de carbohidratos, tal como azúcar, almidón, lignina, celulosa o hemicelulosa.
El microorganismo de la invención se cultiva con la corriente de gas para producir uno o más productos, incluido etanol. Por ejemplo, el microorganismo de la invención puede producir o puede modificarse para producir etanol (documento WO 2007/117157), acetato (documento WO 2007/117157), butanol (documentos WO 2008/11 y WO 2012/053905), butirato (documento WO 2008/115080), 2,3-butanodiol (documentos WO 2009/15 y WO 2016/094334), lactato (documento WO 2011/112103), buteno (documento WO 2012/024522), butadieno (documento WO 2012/024522), metiletilcetona (2-butanona) (documentos WO 2012/02 y 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 w O 2013/180581), terpenos, incluido isopreno (documento WO 2013/180584), ácidos grasos (documento WO 2013/191567), 2-butanol (documento WO 2013/185123), 1,2-propanodiol (documento WO 2014/036152), 1-propanol (documento WO 2014/0369152), productos derivados del corismato (documento WO 2016/191625), 3-hidroxibutirato (documento WO 2017/066498) y 1,3-butanodiol (documento WO 2017/0066498). 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. Estos productos podrán transformarse posteriormente para producir al menos un componente de diésel, combustible para aviones y/o gasolina. Además, la biomasa microbiana puede procesarse aún más para producir una proteína unicelular (SCP).
Una "proteína unicelular" (SCP) se refiere a una biomasa microbiana que puede usarse en alimentos humanos y/o animales ricos en proteínas, reemplazando a menudo las fuentes convencionales de suplementos proteicos como la harina de soja o la harina de pescado. Para producir una proteína unicelular u otro producto, el proceso puede comprender etapas adicionales de separación, procesamiento o tratamientos. Por ejemplo, el método puede comprender esterilizar la biomasa microbiana, centrifugar la biomasa microbiana y/o secar la biomasa microbiana. En ciertas realizaciones, la biomasa microbiana se seca mediante secado por aspersión o secado con paletas. El método también puede comprender reducir el contenido de ácido nucleico de la biomasa microbiana usando cualquier método conocido en la técnica, ya que la ingesta de una dieta rica en ácido nucleico puede provocar la acumulación de productos de degradación de ácidos nucleicos y/o malestar gastrointestinal. La proteína unicelular puede ser adecuada para alimentar a animales, tales como ganado o mascotas. En concreto, el alimento para animales puede ser adecuado para alimentar a uno o más ganado de carne, vacas lecheras, cerdos, ovejas, cabras, caballos, mulas, burros, ciervos, búfalo/bisonte, llamas, alpacas, renos, camellos, toros, gayales, yaks, pollos, pavos, patos, gansos, codornices, gallinas de Guinea, pichones/palomas, pescado, camarones, crustáceos, gatos, perros y roedores. La composición del alimento para animales puede adaptarse a las necesidades nutricionales de diferentes animales. Además, el proceso puede comprender mezclar o combinar la biomasa microbiana con uno o más excipientes.
Un "excipiente" puede referirse a cualquier sustancia que pueda añadirse a la biomasa microbiana para mejorar o alterar la forma, propiedades o contenido nutricional del alimento para animales. Por ejemplo, el excipiente puede comprender uno o más de un carbohidrato, fibra, de grasa, proteína, vitamina, minerales, agua, sabor, edulcorante, antioxidantes, enzima, conservante, probiótico o antibiótico. En algunas realizaciones, el excipiente puede ser heno, paja, ensilaje, granos, aceites o grasas, u otro material vegetal. El excipiente puede ser cualquier ingrediente del pienso identificado en Chiba, sección 18: Diet Formulation and Common Feed Ingredients, Animal Nutrition Handbook, 3a revisión, páginas 575-633, 2014.
Un "producto nativo" es un producto producido por un microorganismo genéticamente no modificado. Por ejemplo, etanol, acetato y 2,3-butanodiol son productos nativos deClostridium autoethanogenum, Clostridium IjungdahliiyClostridium ragsdalei.Un "producto no nativo" es un producto producido por un microorganismo genéticamente modificado, pero no es producido por un microorganismo genéticamente no modificado del cual se deriva el microorganismo genéticamente modificado.
"Selectividad" se refiere a la relación entre la producción de un producto objetivo y la producción de todos los productos de fermentación producidos por un microorganismo. El microorganismo de la invención puede diseñarse para producir productos con una selectividad determinada o con una selectividad mínima. En una realización, un producto objetivo representa al menos aproximadamente un 5 % en peso, 10 % en peso, 15 % en peso, 20 % en peso, 30 % en peso, 50 % en peso, 75 % en peso o 90 % en peso de todos los productos de fermentación producidos por el microorganismo de la invención. En una realización, el producto objetivo representa al menos un 10 % en peso de todos los productos de fermentación producidos por el microorganismo de la invención, de modo que el microorganismo de la invención tenga una selectividad para el producto objetivo de al menos 10 % en peso. En otra realización, el producto objetivo representa al menos un 30 % en peso de todos los productos de fermentación producidos por el microorganismo de la invención, de modo que el microorganismo de la invención tenga una selectividad para el producto objetivo de al menos 30 % en peso. En una realización, el producto objetivo representa al menos un 90 % en peso de todos los productos de fermentación producidos por los microorganismos, de modo que el microorganismo de la invención tenga una selectividad para el producto objetivo de al menos 90 % en peso.
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 tipos de tuberías, tales como un reactor de tanque agitado continuo (CSTR), reactor de células inmovilizadas (ICR), reactor de lecho percolador (TBR), columna de burbujas, fermentador de elevación de gas, mezcladora estática 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 puede proporcionarse a uno o ambos de estos reactores. 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 anaeróbico, tal como un medio de crecimiento microbiano anaeróbico mínimo. Los medios adecuados son bien conocidos en la técnica.
Es deseable que el cultivo/fermentación se lleve a cabo en condiciones apropiadas para la producción del producto objetivo. Normalmente, el cultivo/fermentación se realiza en condiciones anaeróbicas. Las condiciones de reacción a considerar incluyen presión (o presión parcial), temperatura, caudal de gas, caudal de líquido, pH del medio, potencial redox del medio, velocidad de agitación (si se utiliza un reactor de tanque agitado continuo), nivel de inóculo, concentraciones máximas de sustrato de gas para garantizar que el gas en la fase líquida no se vuelva limitante y concentraciones máximas de producto para evitar la inhibición del producto. En concreto, la velocidad de introducción del sustrato puede controlarse para garantizar que la concentración de gas en la fase líquida no llegue a ser limitante, ya que los productos pueden ser consumidos por el cultivo en condiciones de limitación de gas.
Operar un biorreactor a presiones elevadas permite una mayor tasa de transferencia de masa gaseosa de la fase gaseosa a la fase líquida. En consecuencia, generalmente es preferible realizar el cultivo/fermentación a presiones superiores a 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 el tiempo de retención dicta el volumen requerido de un biorreactor, el uso de sistemas presurizados puede reducir en gran medida el volumen del biorreactor requerido y, en consecuencia, el coste de capital del equipo de cultivo/fermentación. Esto, a su vez, significa que el tiempo de retención, definido como el volumen de líquido en el biorreactor dividido por el caudal de gas de entrada, puede reducirse cuando los biorreactores se mantienen a presión elevada en lugar de presión atmosférica. Las condiciones óptimas de reacción dependerán en parte del microorganismo particular utilizado. Sin embargo, en general, es preferible operar la fermentación a una presión superior a la presión atmosférica. También, dado que una tasa de conversión de gas dada es en parte función del tiempo de retención del sustrato y lograr un tiempo de retención deseado dicta a su vez el volumen requerido de un biorreactor, el uso de sistemas presurizados puede reducir en gran medida el volumen del biorreactor requerido y, en consecuencia, el coste de capital del equipo de fermentación.
Los productos objetivo se pueden separar o purificar de un caldo de fermentación usando 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 ciertas realizaciones, los productos objetivo se recuperan del caldo de fermentación retirando continuamente una porción del caldo del biorreactor, separando las células microbianas del caldo (convenientemente mediante filtración) y recuperando uno o más productos objetivo del caldo. Se pueden recuperar alcoholes y/o acetona, por ejemplo, mediante destilación. Se pueden recuperar ácidos, por ejemplo, mediante adsorción sobre carbón activado. Preferentemente, las células microbianas separadas se devuelven al biorreactor. Preferentemente también se devuelve al biorreactor el permeado libre de células que queda tras la eliminación de los productos objetivo. Se pueden añadir nutrientes adicionales (tales como vitaminas B) al permeado libre de células para reponer el medio antes de que se devuelva al biorreactor.
Descripción
El monóxido de carbono y el oxígeno se pueden producir mediante un proceso de electrolizador, definido por la siguiente reacción estequiométrica molar:<2>CO<2>+ electricidad 2CO O<2>. El monóxido de carbono producido por electrólisis se puede utilizar como materia prima para la fermentación de gases. Además, se considera que el C<o>producido puede utilizarse junto con la materia prima de un proceso industrial, como un medio para proporcionar materia prima adicional y/o mejorar la composición del sustrato de fermentación.
El proceso del electrolizador también es capaz de producir hidrógeno a partir de agua, definido por la siguiente reacción estequiométrica molar:<2>H<2>O electricidad<2>H<2>+ O<2>. El hidrógeno producido por electrólisis se puede utilizar como materia prima para la fermentación de gases. Este hidrógeno se puede utilizar junto con materia prima de un proceso industrial, como un medio para proporcionar materia prima adicional y/o mejorar la composición del sustrato de fermentación.
El uso de la materia prima del electrolizador se puede utilizar en momentos en que sea económicamente viable. En determinados casos, la materia prima del proceso del electrolizador puede aumentar la eficiencia del proceso de fermentación al reducir los costes asociados con la producción.
El sustrato que contiene CO<2>utilizado por el proceso de electrolizador para producir monóxido de carbono puede derivarse de varias fuentes. El sustrato gaseoso que contiene CO<2>puede derivarse, al menos en parte, de cualquier gas que contenga CO<2>, seleccionado del grupo que comprende: gas procedente de la fermentación de carbohidratos, gas procedente de la fabricación de cemento, fabricación de pulpa y papel, fabricación de acero, refinado de petróleo y procesos asociados, producción petroquímica, producción de coque, digestión anaeróbica o aeróbica, gas de síntesis (derivado de fuentes que incluyen, entre otras, biomasa, corrientes de residuos líquidos, corrientes de residuos sólidos, corrientes municipales, recursos fósiles, incluidos gas natural, carbón y petróleo), extracción de gas natural, extracción de petróleo, procesos metalúrgicos, para la producción y/o refinamiento de aluminio, cobre y/o ferroaleaciones, yacimientos geológicos y procesos catalíticos (derivados de fuentes de vapor, incluidos, entre otros, el reformado de metano con vapor, reformado de nafta con vapor, gasificación del coque de petróleo, regeneración del catalizador -craqueo de catalizador fluido, regeneración de catalizadores (reformado de nafta y reformado de metano seco). Además, el sustrato puede capturarse a partir del proceso industrial antes de ser liberado a la atmósfera, utilizando cualquier método convencional. Además, el sustrato que contiene CO<2>puede derivarse de una combinación de dos o más de las fuentes mencionadas anteriormente.
Las corrientes de gas normalmente no serán una corriente de CO<2>puro y contendrán proporciones de al menos otro componente. Por ejemplo, cada fuente puede tener diferentes proporciones de CO<2>, Co , H<2>y varios constituyentes. Debido a las diferentes proporciones, la corriente de gas puede procesarse antes de ser introducida en el biorreactor y/o el módulo de electrólisis. El procesamiento de la corriente de gas incluye la eliminación y/o conversión de diversos constituyentes que pueden ser inhibidores de microbios y/o inhibidores de catalizadores. Preferentemente, los inhibidores del catalizador se eliminan y/o se convierten antes de pasar al módulo de electrólisis, y los inhibidores de microbios se eliminan y/o se convierten antes de pasar al biorreactor.
Los constituyentes típicos que se encuentran en la corriente de gas y que pueden necesitar ser eliminados y/o convertidos incluyen, pero sin limitación, compuestos de azufre, compuestos aromáticos, alquinos, alquenos, alcanos, olefinas, compuestos de nitrógeno, compuestos que contienen fósforo, materia particulada, sólidos, oxígeno, oxigenados, compuestos halogenados, compuestos que contienen silicio, carbonilos, metales, alcoholes, ésteres, cetonas, peróxidos, aldehídos, éteres y alquitranes.
Estos constituyentes pueden eliminarse mediante módulos de eliminación convencionales conocidos en la técnica. Estos módulos de eliminación podrán seleccionarse entre los siguientes: módulo de hidrólisis, módulo de eliminación de gas ácido, módulo de desoxigenación, módulo de hidrogenación catalítica, módulo de eliminación de partículas, módulo de eliminación de cloruro, módulo de eliminación de alquitrán y módulo de eliminación de cianuro de hidrógeno.
La figura 1 muestra la integración de un proceso industrial 110 y un proceso electrolizador 120 con un proceso de fermentación 130. El proceso de fermentación 130 es capaz de recibir materia prima C1 del proceso industrial 110 y materia prima del electrolizador del proceso del electrolizador 120. La materia prima del electrolizador procedente del proceso de electrolizador 120 puede alimentarse al proceso de fermentación 130 de forma intermitente. Preferentemente, la materia prima C1 del proceso industrial 110 se alimenta a través de un conducto 112 al proceso de fermentación 130 y la materia prima del electrolizador del proceso de electrolizador 120 se alimenta a través de un conducto 122 al proceso de fermentación 130. El proceso de fermentación 130 utiliza la materia prima del electrolizador del proceso de electrolizador 110 y la materia prima C1 del proceso industrial 110 para producir uno o más productos de fermentación 136.
En determinados casos, la materia prima del electrolizador comprende CO. En determinados casos, la materia prima del electrolizador comprende H<2>. La materia prima del electrolizador desplaza al menos una porción de la materia prima C1 en función del coste por unidad de la materia prima C1 y el coste por unidad de la materia prima del electrolizador. La materia prima para electrolizador desplaza al menos una porción de la materia prima C1 cuando el coste por unidad de materia prima del electrolizador es menor que el coste por unidad de materia prima C1.
El coste por unidad de materia prima del electrolizador puede ser menor que el coste por unidad de materia prima C1 cuando se reduce el coste de la electricidad. En determinados casos, el coste de la electricidad se reduce debido a que la electricidad proviene de una fuente de energía renovable. En determinados casos, la fuente de energía renovable se selecciona del grupo que consiste en solar, hidro, eólica, geotermia, biomasa y nuclear.
La materia prima del electrolizador del proceso 120 del electrolizador puede complementar la materia prima C1 del proceso industrial 110. Preferentemente, la materia prima del electrolizador complementa la materia prima C1 cuando el suministro de la materia prima C1 es insuficiente para el proceso de fermentación. En determinados casos, la materia prima del electrolizador complementa la materia prima C1 en función del costo por unidad de la materia prima del electrolizador y el valor por unidad del producto de fermentación 136. En determinados casos, la materia prima del electrolizador complementa la materia prima C1 en función del coste por unidad de la materia prima C1, el coste por unidad de la materia prima del electrolizador y el valor por unidad del producto de fermentación 136. Preferentemente, la materia prima del electrolizador del proceso 120 del electrolizador complementa la materia prima C1 cuando el coste por unidad de la materia prima del electrolizador es menor que el valor por unidad del producto de fermentación 136. En diversos ejemplos, el complemento de la materia prima C1 que comprende CO<2>con materia prima del electrolizador que comprende H<2>aumenta la cantidad de CO<2>fijado en uno o más productos de fermentación 136.
En casos particulares, la materia prima C1 contiene uno o más constituyentes y puede requerir tratamiento antes de ser enviada al proceso de fermentación. La figura 2 muestra un módulo de eliminación 240 para tratar la materia prima C1 del proceso industrial 210. Cuando se utiliza un módulo de eliminación 240, la materia prima C1 del proceso industrial 210 se envía desde el proceso industrial 210 al módulo de eliminación 240 a través de un conducto 212. Preferentemente, el módulo de eliminación 240 elimina y/o convierte uno o más constituyentes 248 en la materia prima C1. La materia prima C1 tratada se envía desde el módulo de eliminación 240 al proceso de fermentación 230 a través de un conducto 242.
En determinados casos, la materia prima C1 se trata antes de enviarse al proceso de fermentación, donde la materia prima del electrolizador del proceso de electrolizador 220 no se trata antes de ser enviada al proceso de fermentación 230. Cuando no está siendo tratada, la materia prima del electrolizador puede enviarse a través de un conducto 222 desde el proceso del electrolizador 220 al proceso de fermentación 230. La materia prima C1 del proceso industrial 210 y la materia prima del electrolizador del proceso de electrolizador 220 se usan en el proceso de fermentación 230 para producir uno o más productos de fermentación 236.
En casos particulares, la materia prima del electrolizador contiene uno o más constituyentes y puede requerir tratamiento antes de ser enviada al proceso de fermentación. La figura 3 muestra un módulo de eliminación 350 para tratar la materia prima del electrolizador del proceso del electrolizador 320. Cuando se utiliza un módulo de eliminación 350, la materia prima del electrolizador del proceso de electrolizador 320 se envía desde el proceso de electrolizador 320 al módulo de eliminación 350 a través de un conducto 322. Preferentemente, el módulo de eliminación 350 elimina y/o convierte uno o más constituyentes 358 en la materia prima del electrolizador. En determinados casos, el constituyente eliminado por el módulo de eliminación 350 es oxígeno, que se produce como subproducto del proceso de electrólisis. La materia prima del electrolizador tratada se envía desde el módulo de eliminación 350 al proceso de fermentación 330 a través de un conducto 352.
En determinados casos, tanto la materia prima C1 como la materia prima del electrolizador se tratan antes de enviarse al proceso de fermentación. Al tratar la materia prima C1, la materia prima C1 se envía desde el proceso industrial 310 al módulo de eliminación 340 a través de un conducto 312 para eliminar y/o convertir uno o más constituyentes 348 en la materia prima C1. La materia prima C1 tratada se envía desde el módulo de eliminación 340 al proceso de fermentación 330 a través de un conducto 342. La materia prima C1 del proceso industrial 310 y la materia prima del electrolizador del proceso de electrolizador 320 se usan en el proceso de fermentación 330 para producir uno o más productos de fermentación 336.
La materia prima puede presurizarse antes de pasar al proceso de fermentación. La figura 4 muestra un módulo de presión 460 para presurizar la materia prima C1 y un módulo de presión 470 para presurizar la materia prima del electrolizador. En determinados casos, la materia prima C1 puede estar presurizada, mientras que la materia prima del electrolizador no está presurizada. En determinados casos, la materia prima del electrolizador puede estar presurizada, mientras que la materia prima C1 no está presurizada. En diversos ejemplos, la materia prima se presuriza sin tratamiento. En diversos ejemplos, la materia prima se presuriza después del tratamiento. Al presurizar la materia prima C1 después del tratamiento, la materia prima C1 se envía desde el proceso industrial 410 al módulo de eliminación 440 a través de un conducto 412 para eliminar y/o convertir uno o más constituyentes 448. La materia prima C1 tratada se envía desde el módulo de eliminación 440 al módulo de presión 460 a través de un conducto 444. La materia prima C1 presurizada se envía desde el módulo de presión 460 al proceso de fermentación 430 a través de un conducto 462. En los casos en que la materia prima C1 no esté presurizada, la materia prima C1 puede enviarse desde el módulo de eliminación 440 al proceso de fermentación 430 a través de un conducto 442. En varios casos en los que la materia prima C1 se presuriza sin tratamiento, la materia prima C1 se envía desde el proceso industrial 410 al módulo de presión 460 a través de un conducto 414. Al presurizar la materia prima del electrolizador después del tratamiento, la materia prima del electrolizador se envía desde el proceso del electrolizador 420 al módulo de eliminación 450 a través de un conducto 422 para eliminar y/o convertir uno o más constituyentes 458. La materia prima del electrolizador tratada se envía desde el módulo de eliminación 450 al módulo de presión 470 a través de un conducto 454. La materia prima del electrolizador presurizada se envía desde el módulo de presión 470 al proceso de fermentación 430 a través de un conducto 472. En los casos en que la materia prima del electrolizador no esté presurizada, la materia prima del electrolizador puede enviarse desde el módulo de eliminación 450 al proceso de fermentación 430 a través de un conducto 452. En varios casos en los que la materia prima del electrolizador se presuriza sin tratamiento, la materia prima del electrolizador se envía desde el proceso del electrolizador 420 al módulo de presión 470 a través de un conducto 424. La materia prima C1 del proceso industrial 410 y la materia prima del electrolizador del proceso de electrolizador 420 se usan en el proceso de fermentación 430 para producir uno o más productos de fermentación 436.
El proceso de fermentación puede producir un sustrato gaseoso posfermentación además de uno o más productos de fermentación. Este sustrato gaseoso posfermentación puede contener proporciones relativamente altas de CO<2>. En diversos ejemplos, el sustrato gaseoso posfermentación podrá enviarse al proceso del electrolizador. La figura 5 muestra el paso de un sustrato gaseoso posfermentación desde el proceso de fermentación 530 al proceso de electrólisis 520 a través de un conducto 532. Preferentemente, el proceso de fermentación 530 produce uno o más productos de fermentación 536 y un sustrato gaseoso posfermentación utilizando materia prima de uno o ambos del proceso industrial 510 y/o del proceso electrolizador 520. La materia prima C1 del proceso industrial 510 puede presurizarse mediante un módulo de presión 560. La presurización puede completarse con o sin tratamiento. Al presurizar la materia prima C1 después del tratamiento, la materia prima C1 se envía desde el proceso industrial 510 al módulo de eliminación 540 a través de un conducto 512 para eliminar y/o convertir uno o más constituyentes 548. La materia prima C1 tratada se envía desde el módulo de eliminación 540 al módulo de presión 560 a través de un conducto 544. La materia prima C1 presurizada se envía desde el módulo de presión 560 al proceso de fermentación 530 a través de un conducto 562. En los casos en que la materia prima C1 no esté presurizada, la materia prima C1 puede enviarse desde el módulo de eliminación 540 al proceso de fermentación 530 a través de un conducto 542. En varios casos en los que la materia prima C1 se presuriza sin tratamiento, la materia prima C1 se envía desde el proceso industrial 510 al módulo de presión 560 a través de un conducto 514. Al presurizar la materia prima del electrolizador después del tratamiento, la materia prima del electrolizador se envía desde el proceso del electrolizador 520 al módulo de eliminación 550 a través de un conducto 522 para eliminar y/o convertir uno o más constituyentes 558. La materia prima del electrolizador tratada se envía desde el módulo de eliminación 550 al módulo de presión 570 a través de un conducto 554. La materia prima del electrolizador presurizada se envía desde el módulo de presión 570 al proceso de fermentación 530 a través de un conducto 572. En los casos en que la materia prima del electrolizador no esté presurizada, la materia prima del electrolizador puede enviarse desde el módulo de eliminación 550 al proceso de fermentación 530 a través de un conducto 552. En varios casos en los que la materia prima del electrolizador se presuriza sin tratamiento, la materia prima del electrolizador se envía desde el proceso del electrolizador 520 al módulo de presión 570 a través de un conducto 524.
El sustrato gaseoso posfermentación puede contener uno o más constituyentes que pueden necesitar ser eliminados y/o convertidos antes de pasar al proceso del electrolizador. La figura 6 muestra el paso del sustrato gaseoso posfermentación a un módulo de eliminación 680 a través de un conducto 632 para eliminar y/o convertir uno o más constituyentes 688. El sustrato gaseoso posfermentación tratado luego se pasa desde el módulo de eliminación 680 al proceso electrolizador 620 a través de un conducto 682.
Se pueden producir uno o más de los constituyentes en el sustrato gaseoso posfermentación, introducirse y/o concentrarse mediante el proceso de fermentación. En diversas realizaciones, el uno o más constituyentes producidos, introducidos y/o concentrados mediante la etapa de fermentación comprende azufre. Estos constituyentes, incluyendo azufre, pueden disminuir la eficiencia del proceso electrolizador 620 si no se elimina y/o se convierte. Preferentemente, el sustrato gaseoso posfermentación se trata para que sea adecuado para la electrólisis. Utilizando el sustrato gaseoso posfermentación en el módulo de electrólisis 620, el proceso puede capturar una mayor proporción de carbono.
Preferentemente, el proceso de fermentación 630 utiliza la materia prima de uno o ambos del proceso industrial 610 y/o del proceso electrolizador 620 para producir uno o más productos de fermentación 636, donde al menos una parte de la materia prima del electrolizador puede derivar, al menos en parte, del sustrato gaseoso posfermentación. La materia prima C1 del proceso industrial 610 puede presurizarse mediante un módulo de presión 660. La presurización puede completarse con o sin tratamiento. Al presurizar la materia prima C1 después del tratamiento, la materia prima C1 se envía desde el proceso industrial 610 al módulo de eliminación 640 a través de un conducto 612 para eliminar y/o convertir uno o más constituyentes 648. La materia prima C1 tratada se envía desde el módulo de eliminación 640 al módulo de presión 660 a través de un conducto 644. La materia prima C1 presurizada se envía desde el módulo de presión 660 al proceso de fermentación 630 a través de un conducto 662. En los casos en que la materia prima C1 no esté presurizada, la materia prima C1 puede enviarse desde el módulo de eliminación 640 al proceso de fermentación 630 a través de un conducto 642. En varios casos en los que la materia prima C1 se presuriza sin tratamiento, la materia prima C1 se envía desde el proceso industrial 610 al módulo de presión 660 a través de un conducto 614. Al presurizar la materia prima del electrolizador después del tratamiento, la materia prima del electrolizador se envía desde el proceso del electrolizador 620 al módulo de eliminación 650 a través de un conducto 622 para eliminar y/o convertir uno o más constituyentes 658. La materia prima del electrolizador tratada se envía desde el módulo de eliminación 650 al módulo de presión 670 a través de un conducto 654. La materia prima del electrolizador presurizada se envía desde el módulo de presión 670 al proceso de fermentación 630 a través de un conducto 672. En los casos en que la materia prima del electrolizador no esté presurizada, la materia prima del electrolizador puede enviarse desde el módulo de eliminación 650 al proceso de fermentación 630 a través de un conducto 652. En varios casos en los que la materia prima del electrolizador se presuriza sin tratamiento, la materia prima del electrolizador se envía desde el proceso del electrolizador 620 al módulo de presión 670 a través de un conducto 624.
En diversas realizaciones, la materia prima de uno o más procesos del electrolizador y el proceso industrial pueden mezclarse. La figura 7 muestra la mezcla de materia prima del proceso industrial 710 y múltiples procesos del electrolizador 720, 780. La materia prima C1 del proceso industrial 710 se envía a través de un conducto 712 para su mezcla. Una primera materia prima del electrolizador procedente de un primer proceso de electrolizador 720 se envía a través de un conducto 722 para su mezcla. Una segunda materia prima de electrolizador procedente de un segundo proceso de electrolizador 780 se envía a través de un conducto 782 para su mezcla. En determinados casos, sólo se mezclan la materia prima del electrolizador del primer proceso del electrolizador 720 y la materia prima C1 del proceso industrial 710. En determinados casos, sólo se mezclan la materia prima del electrolizador del segundo proceso del electrolizador 780 y la materia prima C1 del proceso industrial 710. En determinados casos, sólo se mezclan la materia prima del electrolizador del primer proceso de electrolizador 720 y la materia prima del electrolizador del segundo proceso de electrolizador 780. La materia prima mezclada puede enviarse a través de un conducto 746 a uno o más módulos de eliminación 740 para eliminar y/o convertir uno o más constituyentes 748.
La materia prima mezclada puede presurizarse por medio de un módulo de presión 760. La presurización puede completarse con o sin tratamiento. Al presurizar la materia prima mezclada después del tratamiento, la materia prima mezclada se envía a través de un conducto 746 al módulo de eliminación 740 para eliminar y/o convertir uno o más constituyentes 748. La materia prima mezclada tratada se envía desde el módulo de eliminación 740 al módulo de presión 760 a través de un conducto 744. La materia prima mezclada presurizada se envía desde el módulo de presión 760 al proceso de fermentación 730 a través de un conducto 762 para producir uno o más productos de fermentación 736. En los casos en que la materia prima mezclada no esté presurizada, la materia prima mezclada puede enviarse desde el módulo de eliminación 740 al proceso de fermentación 730 a través de un conducto 742. En varios casos en los que la materia prima mezclada se presuriza sin tratamiento, la materia prima mezclada se envía a través de un conducto 766 al módulo de presión 760.
En varios casos, la materia prima de uno o más procesos puede ser intermitente mientras que la otra materia prima de uno de más procesos es continua. En determinados casos, la materia prima del electrolizador de uno o más procesos de electrolizador 720, 780 son intermitentes, mientras que la materia prima C1 del proceso industrial 710 es continua. En determinados casos, la materia prima C1 del proceso industrial 710 es intermitente, mientras que la materia prima del electrolizador de uno o más procesos de electrolizador 720, 780 son continuas. En determinados casos, la materia prima del electrolizador del primer proceso de electrolizador 720 es intermitente, mientras que la materia prima del electrolizador procedente del segundo proceso de electrolizador 780 es continua. En determinados casos, la materia prima del electrolizador del segundo proceso de electrolizador 780 es intermitente, mientras que la materia prima del electrolizador del primer proceso de electrolizador 720 es continua.
En diversas realizaciones, al menos una parte de la materia prima del electrolizador puede enviarse a almacenamiento. Ciertos procesos industriales pueden incluir medios de almacenamiento para el almacenamiento a corto o largo plazo de sustratos gaseosos y/o sustratos líquidos. En los casos en los que al menos una parte de la materia prima del electrolizador se envía al almacenamiento, la materia prima del electrolizador puede enviarse a los mismos medios de almacenamiento utilizados por el proceso industrial, por ejemplo, un depósito de gas existente en una acería. Al menos una parte de la materia prima del electrolizador puede enviarse a medios de almacenamiento independientes, donde la materia prima del electrolizador se almacena por separado de la materia prima C1 del proceso industrial. En determinados casos, esta materia prima almacenada de uno o ambos procesos industriales y/o uno o más procesos electrolizadores puede usarse mediante el proceso de fermentación en un momento posterior.
En diversas realizaciones, se deriva la energía suministrada para el proceso del electrolizador, al menos en parte, de una fuente de energía renovable. En determinados casos, la fuente de energía renovable se selecciona del grupo que consiste en solar, hidro, eólica, geotermia, biomasa y nuclear.
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.
Además de aumentar la eficiencia del proceso de fermentación, el proceso del electrolizador puede aumentar la eficiencia del proceso industrial. El aumento de la eficiencia del proceso industrial se puede lograr mediante el uso de un subproducto del electrolizador, en concreto, oxígeno. Específicamente, el subproducto O<2>del proceso del electrolizador puede utilizarse en el proceso industrial de generación de C1. Muchos procesos industriales que generan C1 se ven obligados a producir<o>2 para utilizarlo en sus procesos. Sin embargo, utilizando el subproducto O<2>del proceso del electrolizador, los costes de producción de O<2>pueden reducirse y/o eliminarse. El paso del subproducto O<2>del proceso del electrolizador se ejemplifica en las figuras 1-6 donde el subproducto O<2>pasa a través de un conducto, 126, 226, 326, 426, 526 y 626, respectivamente, desde el proceso de electrolizador hasta el proceso industrial.
Varios procesos industriales generadores de C1 que implican reacciones de oxidación parcial, requieren una entrada de O<2>. Los procesos industriales de ejemplo 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 sin limitación, la gasificación de residuos sólidos urbanos, gasificación de biomasa, gasificación de coque de petróleo y gasificación de carbón. En uno o más de estos procesos industriales, el O<2>del proceso del electrolizador de dióxido de carbono se puede utilizar para compensar o reemplazar completamente el O<2>que normalmente se suministra mediante la separación de aire.
La necesidad de la presente invención se ilustra en la figura 8, que muestra el precio de la electricidad en Bélgica durante un período de diecinueve días. La figura 8 destaca la diferencia entre el precio medio de la electricidad (aproximadamente 0,05 EUR/kWh) y el precio mínimo/máximo de la electricidad durante un período de tiempo. Debido a la gran diferencia en el precio de la electricidad en un lugar determinado y al efecto del precio de la electricidad en la eficiencia de la electrólisis como fuente de gas para la fermentación, Es muy ventajoso tener un enfoque flexible para la utilización de la electrólisis. Por ejemplo, utilizar la electrólisis como fuente de gas para la fermentación cuando la electricidad es relativamente barata y suspender su uso durante períodos de tiempo en los que los precios son altos. Esta utilización de la electrólisis que responde a la demanda puede agregar un valor tremendo a una instalación de fermentación de gas.
El uso de los términos "un/a" y "uno/a" y "el/la" y referentes similares en el contexto de la descripción de la invención (especialmente en el contexto de las siguientes reivindicaciones) debe interpretarse para cubrir tanto el singular como el plural, a menos que se indique lo contrario en el presente documento o que el contexto lo contradiga claramente. Los términos "comprendiendo", "que tiene/n", "que incluye/n", y "que contiene/n" deben interpretarse como términos abiertos (es decir, significan "que incluye/n, pero sin limitación"), a menos que se indique de otro modo. La expresión "que consiste esencialmente en" limita el alcance de una composición, proceso, o método a los materiales o pasos especificados, o a aquellos que no afectan materialmente las características básicas y novedosas de la composición, proceso o método. El uso de la alternativa (es decir, "o") debe entenderse en el sentido de cualquiera de los dos, ambas o cualquier combinación de las alternativas. Como se usa en el presente documento, el término "aproximadamente" significa ±20 % del intervalo, valor o estructura indicados, a menos que se indique lo contrario.
La indicación de intervalos de valores en el presente documento tiene la única intención de servir como un método abreviado para hacer referencia individualmente a cada valor separado que se encuentra dentro del intervalo, a menos que se indique lo contrario en el presente documento, y cada valor por separado se incorpora a la memoria descriptiva como si se mencionara individualmente en el presente documento. Por ejemplo, cualquier intervalo de concentración, intervalo de porcentaje, intervalo de relación, intervalo de números enteros, intervalo de tamaño o intervalo de espesor debe entenderse que incluyen el valor de cualquier número entero dentro del intervalo citado y, cuando sea apropiado, fracciones del mismo (tal como una décima y una centésima de un número entero), a menos que se indique lo contrario.
Todos los métodos descritos en el presente documento pueden realizarse en cualquier orden adecuado a menos que se indique lo contrario en el presente documento o que el contexto lo contradiga claramente. El uso de cualquier y todos los ejemplos o lenguaje a modo de ejemplo (es decir, "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 otra cosa. Ningún lenguaje en la memoria descriptiva debe interpretarse como indicativo de ningún elemento no reivindicado como esencial para la práctica de la invención.
Claims (15)
- REIVINDICACIONES 1. Un método para operar un proceso de fermentación con un biorreactor que contiene un cultivo bacteriano en un medio nutritivo líquido, comprendiendo el método: a. pasar una materia prima C1 que comprende uno o ambos de CO y CO<2>desde un proceso industrial hasta el biorreactor, en donde la materia prima C1 tiene un coste por unidad; b. pasar un sustrato gaseoso que contiene CO<2>a un proceso de electrolizador para producir una materia prima de electrolizador que comprende CO y/o pasar una corriente de agua a un proceso de electrolizador para producir una materia prima de electrolizador que comprende H<2>; c. determinar si el coste por unidad de la materia prima del electrolizador es menor o mayor que el costo por unidad de la materia prima c 1, en donde la materia prima del electrolizador tiene un coste por unidad con respecto a H<2>dado por la ecuacióndonde z representa el coste de la energía, x representa la eficiencia de la electrólisis e y representa el rendimiento de etanol, y la materia prima del electrolizador tiene un coste por unidad con respecto al CO dado por la ecuación (<3 x>( ^-MWh.<\ ^>f<G Je le c t r i r id a d \ ^ />G]qq<\> \M W h) \3 ,6GJelectricidad)<V GJc o / V>GJetanol) donde z representa el coste de la energía, x representa la eficiencia de la electrólisis e y representa el rendimiento de etanol; d. si el coste por unidad de materia prima del electrolizador es menor que el coste por unidad de materia prima C1, pasar al menos una parte de la materia prima del electrolizador desde el proceso del electrolizador al biorreactor para desplazar al menos una parte de la materia prima C1; y e. fermentar el cultivo para producir al menos un producto de fermentación que comprende etanol, en donde el etanol tiene un valor por unidad.
- 2. El método de la reivindicación 1, en donde la materia prima C1 comprende además H<2>.
- 3. El método de la reivindicación 1, en donde la materia prima C1 se trata para eliminar uno o más constituyentes antes de pasar la materia prima C1 al biorreactor.
- 4. El método de la reivindicación 3, en donde al menos uno o más de los constituyentes eliminados de la materia prima C1 se selecciona del grupo que comprende: compuestos de azufre, compuestos aromáticos, alquinos, alquenos, alcanos, olefinas, compuestos de nitrógeno, compuestos que contienen fósforo, materia particulada, sólidos, oxígeno, oxigenados, compuestos halogenados, compuestos que contienen silicio, carbonilos, metales, alcoholes, ésteres, cetonas, peróxidos, aldehídos, éteres y alquitranes.
- 5. El método de la reivindicación 1, en donde la materia prima del electrolizador se trata para eliminar al menos un constituyente antes de pasar la materia prima del electrolizador al biorreactor, por ejemplo un constituyente que comprende oxígeno.
- 6. El método de la reivindicación 1, en donde la materia prima C1 se presuriza antes de pasar la materia prima C1 al biorreactor, o la materia prima del electrolizador se presuriza antes de pasar la materia prima del electrolizador al biorreactor.
- 7. El método de la reivindicación 1, en donde al menos uno de al menos un producto de fermentación comprende además al menos un producto seleccionado del grupo que consiste en acetato, butirato, 2,3-butanodiol, lactato, buteno, butadieno, cetonas, metil etil cetona, etileno, acetona, isopropanol, lípidos, 3-hidroipropionato, isopreno, ácidos grasos, 2-butanol, 1,2-propanodiol y 1-propanol.
- 8. El método de la reivindicación 1, en donde al menos uno del al menos un producto de fermentación comprende además biomasa microbiana.
- 9. El método de la reivindicación 1, en donde se alimenta el proceso del electrolizador, al menos en parte, por una fuente de energía renovable.
- 10. El método de la reivindicación 9, en donde la fuente de energía renovable se selecciona del grupo que consiste en solar, hidro, eólica, geotérmica y biomasa.
- 11. El método de la reivindicación 1, en donde el cultivo produce además un sustrato gaseoso posfermentación.
- 12. El método de la reivindicación 11, que comprende además pasar el sustrato gaseoso posfermentación al proceso del electrolizador.
- 13. El método de la reivindicación 12, en donde el sustrato gaseoso posfermentación se trata para eliminar uno o más constituyentes antes de pasar al proceso del electrolizador.
- 14. El método de la reivindicación 13, en donde el uno o más constituyentes eliminados del sustrato gaseoso de posfermentación se selecciona del grupo que comprende: compuestos de azufre, compuestos aromáticos, alquinos, alquenos, alcanos, olefinas, compuestos de nitrógeno, compuestos que contienen fósforo, materia particulada, sólidos, oxígeno, oxigenados, compuestos halogenados, compuestos que contienen silicio, carbonilos, metales, alcoholes, ésteres, cetonas, peróxidos, aldehídos, éteres y alquitranes.
- 15. El método de la reivindicación 14, en donde el uno o más constituyentes eliminados del sustrato gaseoso de posfermentación son compuestos de azufre.
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