MX2012013379A - Biodegradacion de mezclas combustibles de hidrocarburos renovables. - Google Patents

Abstract

La presente invención describe al isobutanol producido biológicamente como un componente en composiciones combustibles, que proporciona un mecanismo valioso para introducir componentes renovables en las composiciones combustibles y, al mismo tiempo, proporciona un impacto ambiental reducido de la composición combustible en caso de que esta contaminara un área determinada del medioambiente.

Description

BIODEGRADACION DE MEZCLAS COMBUSTIBLES DE HIDROCARBUROS RENOVABLES CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se relaciona con el campo de las composiciones combustibles renovables y el impacto de estas composiciones en el medioambiente .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El isobutanol resulta atractivo como molécula de biocombustible adecuada para usarse en gasolina, ya que puede producirse a partir de materias primas renovables y tiene muchas propiedades que, potencialmente , lo conviertan en un aditivo para combustible más atractivo que el etanol; tiene una mayor densidad de energía, menor absorción de agua, mayor capacidad de mezclado y puede usarse en motores de combustión convencionales sin modificaciones (Durre, 2007, Biotech. J. 2:1525-1578). La evaluación del efecto del etanol en el impacto ambiental de los componentes de gasolina ha demostrado que, en los sistemas aerobios, el etanol del combustible se biodegradaba, preferentemente, antes que los componentes de benceno, tolueno, etilbenceno y xileno (BTEX) de la gasolina, y que la degradación del etanol en los acuíferos consumía rápidamente el oxígeno disuelto y otros nutrientes (Corseuil et al., 1998, Wat. Res. 32:2065-2072; Da Silva y Alvarez, 2002, Appl . Environ. Microbiol. 70:4720- REF: 236285 4726; Capiro et al., 2007, Water Research, 41: 656-664). Como resultado, la presencia de etanol en la gasolina podría producir un retraso en la degradación de BTEX y, finalmente, resultar en un aumento de las descargas de BTEX (Powers et al., 2001, Environ. Sci. Technol . 35: 24A-30A. ) . Las simulaciones del modelo de Deeb et al (2002, J. Environ. Engin. 128: 868-875.) previeron un aumento del 16 % al 34 % en las longitudes de la descarga de benceno en presencia de etanol, mientras que otros han sugerido que la duración de las descargas de benceno puede reducirse con una mayor concentración de etanol en la gasolina si se produce, por crecimiento, una mayor biomasa microbiana en el etanol (Gómez y Alvarez, 2009, Water Resour. Res. 45) .

Un estudio realizado por Mariano y colegas (2009, Biomass and Bioenergy, 33: 1175-1181.) usó mediciones indirectas (formación de gases de C02 y reducción de tinte) para evaluar el impacto de n-butanol en la biodegradacion de la gasolina en microcosmos aerobios que contenían suelo no contaminado, agua de río, o una combinación de suelo no contaminado y agua de río. Los resultados del estudio sugirieron que el n-butanol puede mejorar la degradación de la gasolina en el suelo, y que el factor de mejoramiento puede ser mayor que el que se logra con etanol. Los resultados obtenidos por Garcia-Rivero et al. (2007, J. Environ. Eng. Sci. 6: 389-395.) también sugieren que la adición de n-butanol a las mezclas de hidrocarburos puede mejorar la tasa de biodegradación aerobia de los hidrocarburos. Estudios realizados en la década de los setenta usaron mediciones basadas en la demanda biológica de oxígeno (DBO) para evaluar la biodegradación del isobutanol (Price et al 1974, J. Water Pollut. ConTr. Fed. 46, 63-77; Dias y Alexander, 1971, Appl . Microbiol . 22: 1114-1118) y varios estudios (véase Deeb et al., 2000, Biodegradation, 11;171-185; Pruden y Suidan, 2004, Biodegradation, 15:213-227; Somsamak et al., 2005, Environ. Sci . Technol. 39: 103-109; Vainberg et al., 2002, J. Environ. Eng. 128: 842-851) han evaluado la biodegradación del alcohol terc-butílico (TBA) , que es el principal producto de biodegradación del metil terc-butil éter (MTBE) oxigenado de la gasolina (Hatzinger et al., 2001, Ap l. Environ Microbiol. 67: 5601-5607; Steffan et al., 1997, Ap l. Environ. Microbiol. 63: 4216-4222) .

Existe la necesidad de aumentar los componentes renovables de la gasolina y/o las composiciones combustibles de transporte sin que esto tenga un efecto negativo en el medioambiente relacionado con el impacto ambiental de las composiciones en circunstancias de contaminación medioambiental .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención proporciona métodos y composiciones para mejorar el impacto ambiental de las composiciones combustibles de hidrocarburos en circunstancias de su liberación en el medioambiente, a la vez que aumenta la capacidad de renovación de las composiciones combustibles .

Un aspecto de la invención es un método para mejorar el impacto ambiental de las composiciones combustibles de hidrocarburos mediante la inclusión de isobutanol en las composiciones, lo que resulta en una mayor biodegradabilidad de uno o más de los compuestos BTEX de la gasolina. En un aspecto, los métodos y las composiciones proporcionan una biodegradación mejorada en condiciones anaerobias. En un aspecto, los métodos y las composiciones proporcionan una biodegradación mejorada en condiciones aerobias. En un aspecto, los métodos y las composiciones proporcionan una biodegradación mejorada en condiciones nitrato-reductoras . En un aspecto, la inclusión de isobutanol en las composiciones combustibles de hidrocarburos mejora la biodegradación del benceno .

Otro aspecto de la invención es un método para mejorar el impacto ambiental de las composiciones combustibles líquidas que comprenden etanol mediante la adición de isobutanol en las composiciones, lo que resulta en una biodegradación mejorada de uno o más de los compuestos BTEX de la gasolina.

Otro aspecto de la invención es un método para reducir el transporte de etanol en una matriz de suelo, cuando el etanol es un componente de una composición combustible de hidrocarburos que ha sido liberada en un compartimento ambiental (por ejemplo, suelo, sedimentos, agua subterránea) ; el método comprende la combinación de isobutanol con la composición combustible.

Otro aspecto de la invención es un método para reducir una descarga de BTEX causada por la liberación de una composición de hidrocarburos que comprende, opcionalmente , etanol, en un compartimento ambiental; el método comprende añadir una cantidad adecuada de isobutanol, en donde el isobutanol actúa como cosolvente para los componentes de hidrocarburo y etanol de la composición de hidrocarburos y, de este modo, se retarda y/o contiene parcialmente la descarga de BTEX y se reduce la probabilidad de que se filtre en una capa freática.

Otro aspecto de la invención se relaciona con composiciones combustibles líquidas que comprenden hidrocarburos, etanol e isobutanol en una cantidad suficiente para mejorar la capacidad de renovación de la composición de hidrocarburos sin aumentar el impacto ambiental potencial de la composición en caso de que contaminara un compartimento ambiental. En otro aspecto, la capacidad de renovación de la composición combustible se incrementa y el potencial impacto ambiental se reduce mediante la inclusión de isobutanol, por ejemplo, la expansión de la descarga de BTEX puede reducirse en comparación con la expansión de una descarga de BTEX de la misma composición sin isobutanol, particularmente, en condiciones ambientales aerobias.

Además, en la presente invención se proporcionan métodos para mejorar el impacto ambiental de una composición combustible de hidrocarburos que comprende isobutanol en un compartimento ambiental en condiciones anaerobias; los métodos comprenden añadir un aceptor de electrones al compartimento en una cantidad suficiente para aumentar la tasa de biodegradación de uno o más de los componentes BTEX.

En la presente invención se proporcionan métodos para aumentar la capacidad de renovación de una composición combustible de hidrocarburos y limitar el impacto en un compartimento ambiental después de la contaminación por la composición combustible de hidrocarburos; los métodos comprenden combinar la composición combustible de hidrocarburos con una cantidad adecuada de isobutanol. En modalidades, la composición combustible de hidrocarburos comprende, además, etanol. En modalidades, el etanol comprende hasta aproximadamente 10 % de la composición combustible antes de la adición de isobutanol. En modalidades, el isobutanol proporciona una biodegradación mejorada de al menos uno de los componentes BTEX de la composición combustible de hidrocarburos. En modalidades, el isobutanol permite una biodegradación mejorada del benceno. En modalidades, el compartimento ambiental incluye una matriz de suelo, en donde el isobutanol reduce el transporte de etanol en una matriz de suelo. En modalidades, el isobutanol impide la expansión de la descarga de BTEX de la composición. En modalidades, el isobutanol está presente en una cantidad adecuada para aumentar la biodegradabilidad de la composición combustible de hidrocarburos. En modalidades, la biodegradación mejorada ocurre en condiciones aerobias. En modalidades, la biodegradación mejorada ocurre en condiciones nitrato o sulfato-reductoras .

Además, se proporcionan métodos para mejorar el impacto ambiental de una composición combustible de hidrocarburos que comprende isobutanol en un compartimento ambiental en condiciones anaerobias; los métodos comprenden añadir un aceptor de electrones a la composición en una cantidad suficiente para aumentar la tasa de biodegradación de uno o más de los componentes BTEX. En modalidades, el aceptor de electrones es hierro, sulfato o nitrato, o una combinación de estos. En modalidades, el aceptor de electrones es Fe(0H)3. En modalidades, el aceptor de electrones es NaN03. En modalidades, el aceptor de electrones es MgS04. En modalidades, uno o más componentes BTEX comprenden tolueno, xileno o benceno. En modalidades, el aceptor de electrones es nitrato y se añade en una cantidad suficiente para crear condiciones nitrato-reductoras . En modalidades, el aceptor de electrones es sulfato y está presente en una cantidad suficiente para crear condiciones sulfato-reductoras . En modalidades, el aceptor de electrones es nitrato y está presente en una cantidad suficiente para crear condiciones nitrato-reductoras, en donde el tolueno se biodegrada en aproximadamente la misma cantidad de días que el isobutanol. En modalidades, el aceptor de electrones es sulfato y está presente en una cantidad suficiente para crear condiciones sulfato-reductoras , en donde el tolueno se biodegrada en aproximadamente la misma cantidad de días que el isobutanol. En modalidades, el aceptor de electrones es nitrato y está presente en una cantidad suficiente para crear condiciones nitrato-reductoras, en donde el benceno se biodegrada en aproximadamente la misma cantidad de días que el isobutanol. En modalidades, el aceptor de electrones es sulfato y está presente en una cantidad suficiente para crear condiciones sulfato-reductoras , en donde existe una biodegradación del benceno mejorada en comparación con su biodegradación sin las condiciones sulfato-reductoras . En modalidades, el aceptor de electrones es sulfato y está presente en una cantidad suficiente para crear condiciones sulfato-reductoras, y en donde existe una biodegradación del benceno mejorada en comparación con su biodegradación en ausencia de isobutanol. En modalidades, el aceptor de electrones es sulfato y está presente en una cantidad suficiente para crear condiciones sulfato-reductoras , y en donde existe una biodegradación del benceno mejorada en comparación con su biodegradación en presencia de etanol.

Además, en la presente invención se proporcionan composiciones que comprenden gasolina, isobutanol y al menos uno de Fe(OH)3, NaN03, o MgS04. Se proporcionan además composiciones que comprenden gasolina, isobutanol y al menos uno de Fe(OH)3, NaN03, KN03/ NHN03, Na2S0 , CaS0 , MgS04. hierro quelado, hierro cerovalente y nano hierro cerovalente.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1A muestra la degradación del isobutanol hasta 10 días. Las barras de error representan intervalos de confianza del 95 %.

La Figura IB muestra la degradación del isobutanol hasta 50 días.

La Figura 1C muestra la degradación del etanol hasta 50 días .

Las Figuras 2A, 2B, 2C y 2D muestran el impacto del isobutanol en la biodegradación de BTEX en altas concentraciones. (La Figura 2A muestra benceno; 2B muestra tolueno; 2C muestra etilbenceno,- 2D muestra los xilenos totales) . Las barras de error representan intervalos de confianza del 95 %.

Las Figuras 3A, 3B, 3C y 3D comparan el impacto de la concentración de isobutanol y etanol en la biodegradacion de BTEX en diversos niveles de tratamiento. (La Figura 3A muestra benceno; 3B muestra tolueno; 3C muestra etilbenceno; 3D muestra los xilenos totales) . Las barras de error representan intervalos de confianza del 95 %.

Las Figuras 4A, 4B, 4C y 4D muestran el impacto del isobutanol en la biodegradacion del BTEX en bajas concentraciones. (La Figura 4A muestra benceno; 4B muestra tolueno; 4C muestra etilbenceno; 4D muestra los xilenos totales) . Las barras de error representan intervalos de confianza del 95 %.

Las Figuras 5A, 5B, 5C y 5D muestran la biodegradacion del isobutanol (alta concentración) en diversas condiciones reductoras anaerobias. (La Figura 5A muestra el Tratamiento 2 - Sin modificaciones; 5B muestra el Tratamiento 6 - Nitrato-reductor; 5C muestra el Tratamiento 9 - Hierro-reductor; 5D muestra el Tratamiento 12 - Sulfato-reductor) . Las barras de error representan intervalos de confianza del 95 %. La línea discontinua para el Tratamiento 2 indica el momento en que los microcosmos fueron modificados nuevamente con isobutanol.

Las Figuras 6A y 6B muestran la biodegradacion del etanol en el Tratamiento 4 (sin modificaciones) y el Tratamiento 14 (sulfato-reductor), respectivamente. Las barras de error representan intervalos de confianza del 95%. La línea discontinua para el Tratamiento 4 indica el momento en que los microcosmos fueron modificados nuevamente con etanol luego de reducir el sulfato residual en el agua subterránea .

Las Figuras 7A, 7B, 7C y 7D muestran la biodegradacion del benceno y tolueno (alta concentración) en diversas condiciones reductoras anaerobias y en presencia o ausencia de isobutanol (IBA) . Las Figs . 7A y 7B muestran benceno y tolueno, respectivamente, para los Tratamientos 1, 2, 5 y 6; las figs. 7C y 7D muestran benceno y tolueno, respectivamente, para los Tratamientos 8, 9, 11 y 12) . Las barras de error representan intervalos de confianza del 95 %.

Las Figuras 8A, 8B, 8C y 8D muestran la biodegradacion de BTEX (baja concentración) en diversas condiciones reductoras anaerobias y en presencia y ausencia de isobutanol (IBA) o etanol. (La Figura 8A muestra benceno; 8B muestra tolueno; 8C muestra etilbenceno ; 8D muestra los xilenos totales) . Las barras de error representan intervalos de confianza del 95 %.

Las Figuras 9A, 9B, 9C y 9D muestran la biodegradacion del isobutanol (baja concentración) . La fig. 9A muestra el Tratamiento 3 - Sin modificaciones; La fig. 9B muestra el Tratamiento 7 - Nitrato-reductor; la fig. 9C muestra el Tratamiento 10 - Hierro-reductor; la fig. 9D muestra el Tratamiento 13 - Sulfato-reductor) . Las barras de error representan intervalos de confianza del 95 %. Controles complementarios demostraron que las concentraciones de ácido isobutírico se habían reducido por debajo del límite de detección analítico al día 160 para el Tratamiento 3 y al día 48 para el Tratamiento 13 (no se muestran los datos) .

Las Figuras 10A, 10B, 10C y 10D muestran la biodegradación de etilbenceno y xilenos totales de alta concentración en diversas condiciones reductoras anaerobias y en presencia o ausencia de isobutanol (IBA) . Las figs. 10A y 10B muestran etilbenceno y xilenos totales, respectivamente, para los Tratamientos 1, 2, 5 y 6; las figs. 10C y 10D muestran etilbenceno y xilenos totales, respectivamente, para los Tratamientos 8, 9, 11 y 12) . Las barras de error representan intervalos de confianza del 95 %.

Las Figuras 11 y 12 demuestran el comportamiento del isobutanol cuando se añade inicialmente 1.3 % y 2.6 % de agua a un gasolina E10. En la Figura 11, los mayores niveles de isobutanol resultan en un volumen reducido de la fase acuosa durante la fase de separación. La Figura 12 muestra que hay menos etanol en la porción acuosa cuando ocurre la separación.

La Figura 13 describe los resultados de los análisis microbianos. Las barras de error representan intervalos de confianza del 95 %. IBA = isobutanol.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN A menos que se defina lo contrario, todos los términos científicos y técnicos que se usan en la presente tienen el mismo significado como el entendido comúnmente por una persona con conocimiento ordinario en la técnica a la que pertenece esta invención. En caso de disputa, prevalecerá la presente solicitud junto con las definiciones pertinentes. Además, a menos que lo determine el contexto, los términos en singular incluirán pluralidades y los términos en plural incluirán el singular. Todas las publicaciones, patentes y demás referencias mencionadas en la presente se incorporan como referencia en su totalidad para todo propósito.

Para definir aun más esta invención, se proporcionan los siguientes términos y definiciones.

Como se usa en la presente descripción, los términos "comprende", "que comprende", "incluye", "que incluye", "tiene", "que tiene", "contiene" o "que contiene" o cualquier otra variación de estos, harán referencia a la inclusión de un número entero o grupo de números enteros mencionados, pero no a la exclusión de cualquier otro número entero o grupo de números enteros. Por ejemplo, una composición, una mezcla, un proceso, un método, un artículo o un aparato que comprende una lista de elementos no se limita, necesariamente, solo a esos elementos, sino que puede incluir otros que no estén expresamente listados o sean inherentes a tal composición, mezcla, proceso, método, artículo o aparato. Además, a menos que se especifique expresamente en contrario, la disyunción se relaciona con un "o" incluyente y no con un "o" excluyente. Por ejemplo, una condición A o B se satisface mediante cualquiera de los siguientes criterios: A es verdadero (o actual) y B es falso (o no actual) , A es falso (o no actual) y B es verdadero (o actual) , y tanto A como B son verdaderos (o actuales) .

Como se usa en la presente descripción, el término "consiste en" o variaciones tales como "consisten en" o "que consiste en" , tal como se usa en toda la descripción y las reivindicaciones, indica la inclusión de cualquier número entero o grupo de números enteros mencionados, pero que no se puede añadir ningún número entero o grupo de números enteros adicionales al método, la estructura o la composición especificados .

Como se usa la presente descripción, el término "consiste prácticamente en" o variaciones tales como "consisten prácticamente en" o "que consiste prácticamente en" , como se usa en toda la descripción y las reivindicaciones, indica la inclusión de cualquier número entero o grupo de números enteros mencionados, y la inclusión opcional de cualquier número entero o grupo de números enteros mencionados que no cambian sustancialmente las propiedades básicas o novedosas del método, la estructura o la composición especificados. Véase M.P.E.P. § 2111.03.

Además, los artículos indefinidos "un(a)" y "unos (as)" que preceden a un elemento o componente de la invención están previstos para ser no restrictivos con respecto a la cantidad de instancias es decir, ocurrencias del elemento o componente. Por consiguiente, "un (a)" o "unos (as)" deben interpretarse para incluir uno o al menos uno, y la forma singular de la palabra del elemento o componente incluye, además, el plural, a menos que el número, obviamente, indique que es singular.

El término "invención" o "presente invención", tal como se usa en la presente descripción, es un término no limitante y no pretende hacer referencia a cualquier modalidad individual de la invención particular, sino que abarca todas las modalidades posibles según se describe en la solicitud.

Como se usa en la presente descripción, el término "aproximadamente" , que modifica la cantidad de un ingrediente o reactivo empleados en la invención, se refiere a la variación que puede producirse en la cantidad numérica, por ejemplo, a través de procedimientos de manejo de líquidos y de mediciones típicos usados para preparar concentrados o soluciones de uso en el mundo real; a través de errores inadvertidos en estos procedimientos; a través de diferencias en la fabricación, procedencia o pureza de los ingredientes empleados para preparar las composiciones o llevar a cabo los métodos; y similares. El término "aproximadamente" abarca, además, cantidades que difieren debido a condiciones de equilibrio diferentes para una composición que resulta de una mezcla inicial particular. Estén o no modificadas por el término "aproximadamente" , las reivindicaciones incluyen equivalentes para las cantidades. En una modalidad, el término "aproximadamente" significa una cantidad dentro del 10 % del valor numérico reportado, preferentemente, dentro del 5 % del valor numérico reportado.

Como se describe en la presente descripción, las composiciones combustibles de hidrocarburos que comprenden isobutanol proporcionan composiciones combustibles con una mayor capacidad de renovación atribuible a un componente renovable que es, además, biodegradable en el medioambiente . El isobutanol es un componente renovable que, tal como se muestra en la presente invención, se degrada rápidamente cuando se añade a microcosmos acuíferos. Adicionalmente , los resultados incluidos en la presente invención demuestran que no solo se biodegrada el isobutanol en sí, sino que también proporciona beneficios de biodegradacion adicionales para la gasolina en diversas condiciones ambientales. Como se ha descrito en la técnica, el isobutanol se puede producir biológicamente mediante microorganismos que convierten sustratos de carbono derivados de materias primas renovables, tal como biomasa, en isobutanol. Por lo tanto, el isobutanol producido biológicamente, cuando se añade a las composiciones combustibles, proporciona un mecanismo valioso para introducir componentes renovables en el combustible y, al mismo tiempo, permite reducir el impacto ambiental de la composición combustible en caso de que contaminara un área determinada del medioambiente .

Se conoce que los componentes de benceno, tolueno, etilbenceno y xilenos totales (BTEX, por sus siglas en inglés) de la gasolina son contaminantes ambientales no deseados . Añadir etanol a la gasolina puede aumentar la capacidad de renovación de la gasolina, pero esta adición puede también potenciar el daño producido por BTEX, ya que el etanol puede generar la expansión de las descargas de BTEX. En contraste, añadir isobutanol a la gasolina proporciona un mecanismo para aumentar el componente renovable de los combustibles sin aumentar la descarga de BTEX, en comparación con la adición de etanol como aditivo, en caso de que la mezcla combustible sea liberada en un área o compartimento ambiental (por ejemplo, suelo, sedimento, agua subterránea) . Además, como se muestra en la presente invención, la adición de isobutanol no impide la biodegradación de BTEX en la medida en que se observa para el etanol en ciertas condiciones .

"Biodegradación" o "degradación" , como se usa en la presente invención, hace referencia a la transformación primaria del compuesto de interés en un subproducto.

"Mejorar el impacto ambiental", como se usa en la presente descripción, significa reducir la cantidad de uno o más componentes de una mezcla combustible de hidrocarburos en un compartimento ambiental, aumentar la tasa de degradación de uno o más componentes de una mezcla combustible de hidrocarburos en un compartimento ambiental, reducir el tamaño del compartimento ambiental en contacto con uno o más componentes de una mezcla combustible de hidrocarburos, o una combinación de estos.

"Compartimento ambiental" se usa en la presente en referencia al área con la que una composición combustible entra en contacto y puede incluir, por ejemplo, suelo, sedimentos, aguas subterráneas, o una combinación de estos.

"Pluma de BTEX" se usa en la presente invención en referencia a la descarga en fase disuelta.

Cuando se usa en referencia a las composiciones combustibles, "mayor capacidad de renovación" significa que una mayor parte de la composición fue producida con recursos considerados renovables, tal como biomasa, en lugar de recursos que no son renovables, tales como combustibles fósiles y petróleo.

En la presente invención se proporcionan métodos para aumentar simultáneamente la cantidad de componentes renovables en una composición combustible a la vez que se reduce el impacto ambiental de una composición combustible al incluir isobutanol en la composición combustible. La porción de hidrocarburos de las composiciones combustibles adecuadas para los métodos descritos en la presente comprenden mezclas combustibles útiles para fabricar gasolina para usarse en motores de combustión interna, que incluyen, sin limitarse a, motores de ignición por chispa. Las mezclas de gasolina incluyen, sin limitarse a, mezclas para gasolinas que cumplen con la ASTM 4814, la especificación de la Unión Europea EN228, y mezclas para gasolina reformulada. Las cantidades de isobutanol en las composiciones combustibles de hidrocarburos (en volumen) para los métodos descritos en la presente invención incluyen cantidades de al menos aproximadamente 2 %, al menos aproximadamente 5 %, al menos aproximadamente 7 %, al menos aproximadamente 10 %, o al menos aproximadamente 15 %. En algunos aspectos, las cantidades de isobutanol (en volumen) incluyen cantidades de aproximadamente 2 % a aproximadamente 20 %, y cantidades de aproximadamente 10 % a aproximadamente 16 %. Seria conveniente que la cantidad de isobutanol sea una función de la tecnología del vehículo. Como tal, en las modalidades, las cantidades de isobutanol pueden ser de hasta aproximadamente 85 % en volumen. El isobutanol puede combinarse con la porción de hidrocarburos de la composición combustible mediante el uso de los métodos conocidos en la técnica.

En algunas modalidades, la composición combustible de hidrocarburos comprende, además, etanol y, en algunas modalidades, el etanol comprende hasta aproximadamente 10 %, hasta aproximadamente 15 %, hasta aproximadamente 20 % o hasta aproximadamente 50 % de la composición de hidrocarburos antes de la adición del isobutanol. En algunas modalidades, el isobutanol sustituye al etanol en una composición combustible. En otras modalidades, se añade isobutanol a la composición combustible que comprende etanol.

Los métodos que se proporcionan en la presente incluyen un método para retardar la expansión de la descarga de BTEX de una composición combustible de hidrocarburos al incluir isobutanol en la composición. El potencial impacto ambiental de una composición combustible de hidrocarburos, en caso de que sea liberada, se puede evaluar al medir el tamaño de la descarga de BTEX en el área afectada y/o la tasa de expansión y/o la concentración de la descarga de BTEX. El tamaño y la tasa de expansión de la descarga de BTEX pueden evaluarse mediante los métodos conocidos en la técnica, tales como el muestreo directo de las aguas subterráneas y otros métodos, tal como el método S 846 de la Agencia de Protección Ambiental (Environmental Protection Agency, EPA) .

En algunas modalidades, la degradación de la composición combustible que comprende isobutanol se produce más rápidamente que la de una composición combustible que comprende etanol, pero no isobutanol. La degradación de los componentes combustibles puede medirse en muestras ambientales con los métodos conocidos en la técnica, tal como cromatografía de gases (GC, por sus siglas en inglés) , por ejemplo, con el método 8015 de la EPA de Estados Unidos, o GC-espectrometría de masa, por ejemplo, con el método 8260 de la EPA de Estados Unidos . Como se muestra en la presente invención, el isobutanol se degrada al menos tan rápidamente como el etanol y, uno o más de los componentes BTEX se degradan más rápidamente en presencia de isobutanol que en presencia de etanol. En algunas modalidades, el isobutanol se degrada con una constante de velocidad de primer orden de al menos aproximadamente 0.081 d"1. En algunas modalidades, el isobutanol se degrada con una constante de velocidad de primer orden de al menos aproximadamente 0.28 d"1. En algunas modalidades, el isobutanol se degrada con una constante de velocidad de primer orden mayor que aproximadamente 0.074 d"1. En algunos casos, las composiciones combustibles que comprenden isobutanol tienen una mayor tasa de biodegradación de BTEX en comparación con las composiciones combustibles que comprenden componentes no renovables. En algunos casos, las composiciones combustibles que comprenden isobutanol tienen una mayor tasa de biodegradación de BTEX en comparación con las composiciones combustibles que comprenden etanol, pero no isobutanol .

Además, como se muestra en la presente invención (véanse las Figuras 11 y 12) , incorporar butanol en la gasolina que contiene etanol reduce el volumen de una fase acuosa cuando se produce la separación de fases, y limita el porcentaje en peso del etanol incluido en la fase acuosa. Sin restricciones teóricas, se cree que el butanol puede limitar la cantidad de etanol que se filtra en el agua subterránea al mantenerlo en la fracción de hidrocarburo menos soluble al agua. El transporte reducido de etanol en la matriz de suelo puede, por lo tanto, retardar la expansión de BTEX en la capa f eática .

Por lo tanto, sería conveniente que los métodos proporcionados en la presente invención puedan reducir favorablemente el tiempo necesario para remediar el sitio contaminado, limitar el tamaño de las descargas de BTEX, o proporcionar ambas ventajas, para mejorar asi el impacto ambiental de una composición combustible de hidrocarburos.

Los métodos proporcionados en la presente invención pueden mejorar el impacto ambiental de una composición combustible de hidrocarburos que comprende isobutanol en un compartimento ambiental en condiciones anaerobias. En modalidades, los métodos comprenden añadir un aceptor de electrones aL compartimento en una cantidad suficiente para aumentar la tasa de biodegradación de uno o más de los componentes BTEX. Los aceptores de electrones incluyen nitratos, que incluyen, sin limitarse a, NaN03, NHN03 , K 03, y sulfatos, que incluyen, sin limitarse a, MgS04 y CaS04, Na2S04, y compuestos de hierro, que incluyen, sin limitarse a, Fe (OH) 3, hierro quelado, hierro cerovalente y nano hierro cerovalente. Los aceptores de electrones pueden añadirse en un compartimento ambiental mediante el uso de los métodos que incluyen, pero no se limitan a, inyección como suspensión, emplazamiento, inyección a través de un pozo de monitoreo, inyección por gravedad y/o inyección presurizada, o combinaciones de estos, en cantidades suficientes para lograr condiciones nitrato-reductoras, hierro-reductoras y/o sulfato-reductoras . La inyección de sulfatos y/o nitratos y/o compuestos de hierro puede usarse para bioestimular las bacterias sulfato y/o nitrato-reductoras, si están presentes, para biodegradar la contaminación de BTEX debido a la liberación de gasolina que contiene isobutanol en el área subterránea. La bioestimulación puede resultar en una mayor bioactividad, población y/o metabolismo de las bacterias.

Condiciones aerobias La comparación de las tasas de biodegradación del isobutanol y el etanol mediante una aproximación de primer orden muestra que algunos tratamientos con isobutanol produjeron una constante de velocidad de primer orden observada de 0.081 ± 0.0044 d"1 (R2 = 0.80, por medio del uso de los datos del Tratamiento 4 y el Tratamiento 5, Ejemplo 1) , mientras que el tratamiento con etanol produjo una constante de velocidad de primer orden observada de 0.074 ± 0.0023 d"1 (R2 = 0.90). Por lo tanto, la tasa de degradación del isobutanol fue mayor que la del etanol en los tratamientos de mayor concentración. Se alcanzó una constante de velocidad de 0.28 ± 0.054 d"1 (R2 = 0.69) para el isobutanol en el tratamiento con menor concentración (Tratamiento 3), que es aproximadamente 3.5 veces mayor que la constante de velocidad de biodegradacion del isobutanol o etanol en los tratamientos de mayor concentración. Las diferencias no se debieron solamente al crecimiento bacteriano. Sin restricciones teóricas, se considera que una explicación de esta discrepancia es que la biodegradacion del isobutanol (y el crecimiento de las bacterias degradadoras del isobutanol) tenía limitaciones de nutrientes durante las primeras dos semanas del estudio, momento en que se produjo la mayor parte de la biodegradacion del isobutanol. Es posible que las limitaciones de nutrientes no hayan sido tan graves para el tratamiento con isobutanol de baja concentración, lo que resultó en una mayor constante de velocidad para el tratamiento con menor concentración de isobutanol. Alternativamente, la discrepancia en las constantes de velocidad del isobutanol puede deberse a la inhibición del sustrato de isobutanol en concentraciones elevadas. La inhibición del sustrato se observó durante los estudios de biodegradacion de n-butanol en concentraciones de tan solo aproximadamente 3,000 µ? (Alagappan y Cowan, 2001, Biotechnol y Boengin. 75: 393-405).

Los resultados se incluyen en la presente y muestran que el etanol reduce en forma no deseada la tasa de biodegradación de BTEX más que el isobutanol. Curiosamente, el benceno mostró la diferencia más pronunciada al comparar los efectos del isobutanol y el etanol en la biodegradación de BTEX, ya que la biodegradación aerobia del benceno fue aproximadamente 12 veces más lenta en presencia de etanol que en presencia de isobutanol. Frecuentemente, el benceno es el factor regulador de la contaminación de aguas subterráneas en los sitios contaminados por gasolina.

Condiciones anaerobias Los resultados que se incluyen en la presente invención demuestran que el isobutanol se biodegrada fácilmente en condiciones nitrato-reductoras, hierro-reductoras y sulfato-reductoras, y en condiciones metanógenas . Para las condiciones de este estudio, el isobutanol no redujo la biodegradación de BTEX o bien la medida en que el isobutanol redujo la tasa de biodegradación de BTEX fue menor que la medida en que el etanol redujo la biodegradación de BTEX. En algunos casos, la adición de isobutanol mejoró las tasas de biodegradación de BTEX observadas. Por lo tanto, la persistencia del isobutanol y su impacto en la biodegradación de BTEX en condiciones acuíferas anaerobias se consideran más favorables que las del etanol.

EJEMPLOS Ejemplo 1. Pruebas aerobias Materiales y métodos Muestras de suelo y agua subterránea Se recolectaron muestras de suelo y agua subterránea para pruebas de microcosmos en laboratorio en el Sitio 60 de la Base de la Fuerza Aérea de Vandenberg, CA. El sitio tiene antecedentes de contaminación por gasolina, pero ha sido sometido a un programa de limpieza exhaustivo. El agua subterránea recolectada se almacenó en barriles de soda de acero inoxidable (18.5 1) con espacio de cabezal de nitrógeno. El suelo, ubicado de aproximadamente 8 a 12 pies (243.84cm -365.76 cm) bajo la superficie (bgs) , se recolectó por medio del uso de Geoprobe® 6620DT con casquillos de núcleo de acetato. Las muestras de núcleo en los casquillos de acetato se taparon y sellaron en el campo para minimizar la exposición al aire, se enviaron durante la noche sobre hielo al laboratorio, y se almacenaron a 4 °C.

Se extrajo el suelo de los casquillos de acetato en una cámara anaerobia (Coy Laboratory Products, Inc., Grass Lake, MI) y se descartaron los primeros 10 cm de los extremos de núcleo que pudieron haber estado expuestos a oxígeno. El suelo recolectado consistía en arena limosa con algo de grava y piedras de mayor tamaño. Se pasó la muestra de suelo por un tamiz de 0.95 cm, se homogeneizó y, luego, se almacenó en frascos de vidrio ámbar con tapas revestidas con Teflon® a 4 °C hasta que la configuración del microcosmo estuviera completa. Los datos de referencia del suelo y el agua subterránea se presentan en la Tabla 1. (NA = No analizado; *Las detecciones de SVOC (compuestos orgánicos semivolátiles) incluyen 0.008 mg L"1 de fenol y 0.003 mg IT1 de bis (2-etilhexil) ftalato; ** unidades estándar) .

Tabla 1: Datos de referencia de suelo y agua subterránea Experimentos en microcosmos El enfoque general para los experimentos en microcosmos fue evaluar la biodegradación de BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno y xilenos totales) e isobutanol en concentraciones "altas" y "bajas" en suspensiones de suelo y agua subterránea. No se determinaron los productos de transformación final. Para la comparación, se preparó un tratamiento por medio del uso de etanol en lugar de isobutanol. Las concentraciones de BTEX objetivo para cada compuesto BTEX se enumeran en la columna BTEX en la Tabla 2, que muestra la matriz de tratamiento experimental. Los controles se modificaron con cloruro mercúrico y formaldehído . Las concentraciones de BTEX y alcohol se seleccionaron para representar (aproximadamente) las concentraciones potenciales de agua subterránea que se observarían en un área fuente y en la descarga corriente abajo cercana. El propósito de las mayores concentraciones de etanol respecto de las concentraciones de isobutanol usadas en este estudio fue reflejar las solubilidades efectivas del isobutanol y el etanol en agua subterránea. El etanol tiene una solubilidad acuosa de aproximadamente 10 veces la del isobutanol, y el coeficiente de partición de octanol-agua del isobutanol es aproximadamente 10 veces el del etanol (Organization for Economic Co-operation and Development, 2004. SIDS Assessment Report for SIAM 19- Ethanol (CAS núm. 64-17-5) . Berlín, Alemania; Organization for Economic Co-operation and Development, 2004. SIDS Assessment Report for SIAM 19- Isobutanol (CAS núm. 78-83-1), Berlín, Alemania). Por lo tanto, se seleccionó cuidadosamente una concentración molar de etanol aproximadamente 3 veces mayor que la del isobutanol para las pruebas de este estudio. Los tratamientos del CONJUNTO 1 se prepararon dentro de los 4 días de la recolección de las muestras, mientras que los tratamientos del CONJUNTO 2 se prepararon después de aproximadamente 2 meses de almacenamiento del suelo y el agua subterránea. Las matrices de tratamiento experimentales se muestran en las Tablas 2A y 2B.

Tabla 2A: Matriz de tratamiento experimental para el CONJUNTO 1 Tabla 2B: Matriz de tratamiento experimental para el CONJUNTO 2 Los microcosmos se prepararon al colocar 40 g de suelo del sitio en cada una de las 54 botellas de suero de vidrio (con un volumen aproximado de 160 mi cada una) . Se añadieron BTEX y alcohol (isobutanol o etanol) en las botellas de tratamiento para alcanzar las concentraciones objetivo que se muestran en las Tablas 2A y 2B . Las botellas se llenaron con agua subterránea y se dejó un espacio de cabezal de 10 mi. Se modificaron los controles con cloruro mercúrico (700 mg/1 en las botellas) para inhibir la actividad microbiana. Posteriormente, los controles fueron modificados con formaldehído (1 % en volumen en las botellas) después de 4 días para limitar la actividad microbiana. Los tratamientos se prepararon con un mínimo de 3 y de hasta 8 réplicas cada uno .

Los microcosmos preparados se incubaron a 15 °C es un agitador giratorio que opera a 100 rpm. Se controló el espacio de cabezal en cada una de las botellas para detectar BTEX y oxígeno. Las concentraciones acuosas de BTEX se calcularon al aplicar la Ley de Henry. Las muestras de la fase acuosa se analizaron para detectar isobutanol y etanol, así como también productos de degradación del isobutanol potenciales (isobutilaldehído y ácido isobutírico) . El espacio de cabezal de cada botella se purgó periódicamente con gas de oxígeno para mantener condiciones aerobias en las botellas. El espacio de cabezal de cada botella control también se purgó con oxígeno para evaluar las pérdidas potenciales de BTEX debido al proceso de purga. · Métodos analíticos Los gases del espacio de cabezal se analizaron para detectar BTEX mediante el uso de un cromatógrafo de gases Varían CP-3900 equipado con un detector de ionización de llama (FID, por sus siglas en inglés) y una columna Restek QSPLOT (30 m de longitud, 0.32 mm de diámetro) con una temperatura del inyector de 260 °C y una temperatura del detector de 290 °C. El oxígeno del espacio de cabezal se analizó al usar un cromatógrafo de gases Varían CP-3800 equipado con un detector de ionización de helio por descarga pulsada (PDHID , por sus siglas en inglés) , una columna CP-Molsiene 5A y una columna CP-ParaBond Q (ambas de 10 m de longitud, 0.32 mm de diámetro), una temperatura del inyector de 210 °C y una temperatura del detector de 240 °C. El oxígeno se eluyó a los 1.20 min. Las concentraciones acuosas de alcohol (así como también isobutilaldehído y ácido isobutírico) se midieron al recolectar primero una submuestra de 130 µ? conservada con cloruro mercúrico. Estas muestras se analizaron por medio del uso de un cromatógrafo de gases Varían CP-3800 con un detector de ionización de llama (FID) y una columna Stabilwax DA (30 m de longitud, 320 µ?? de diámetro) , una temperatura del inyector de 280 °C y una temperatura del detector de 280 °C.

Análisis microbianos Las muestras (2 mi) se obtuvieron de microcosmos modificados con BTEX e isobutanol al principio, en el punto medio (aproximadamente) y al final del experimento para evaluar los cambios en la población microbiana durante el transcurso del estudio. Las muestras se diluyeron en serie y se sembraron en placas de agar R2A (BD Difco) y medio salino basal (BSM; Hareland et al. ,1975, J. Bacteriol . 121: 272-285.) inmediatamente después de la recuperación de acuerdo con el Método SM9215C. Las placas de BSM se incubaron en contenedores sellados con BTEX o isobutanol para seleccionar las bacterias con capacidad de crecimiento en esos sustratos. Se realizó el recuento de colonias manualmente después de 3 días para el agar R2A y después de 10 días para el medio selectivo. Además, las muestras (~8 mi) se congelaron inmediatamente a -70 °C y, al finalizar el estudio, fueron enviadas sobre hielo seco a Microbial Insights, Rockford, TN, para el análisis CENSUS. CENSUS empleó ensayos de reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa (qPCR, por sus siglas en inglés) para calcular el total de eubacterias con base en la enumeración de las copias de genes de ARNr eubacteriano 16S (para obtener más información sobre el método CENSUS, véase Microbial Insights, 2009 http://www.microbe.com/how-census-works . tml y http : //microbe . cora/census-applications/anaerobic-btex.html; consultados el 07.07.2009 y 05.08.09, respectivamente).

Degradación de isobutanol y etanol No se observaron reducciones mensurables (>10 %) en el isobutanol o el etanol, acumulación de isobutilaldehído o acumulación de ácido isobutírico en ninguno de los controles. La biodegradación del isobutanol en los Tratamientos 3 y 4 se muestra en las Figuras 1A y 1C. En el tratamiento con menor concentración (Tratamiento 3) , el isobutanol se degradó por debajo del límite de detección analítico (3 µ?) dentro de los 7 días. Los productos de degradación del isobutanol, isobutilaldehído y ácido isobutírico, se detectaron por primera vez a los 4 días de incubación y, posteriormente, el. isobutilaldehído se redujo por debajo del límite de detección dentro de los 5 días. Las concentraciones de ácido isobutírico aumentaron inicialmente, pero las muestras tomadas después de 82 días confirman que el ácido isobutírico también se degradó aun más en los microcosmos (no se muestran los datos) . No se determinaron los productos de biodegradación del ácido isobutírico, pero estudios anteriores han demostrado que el ácido isobutírico se biodegrada fácilmente en condiciones aerobias y que el butirato se transforma fácilmente en COa en condiciones aerobias (Miller, 2001, J. Anim. Sci . 79: 2503-2512; Bonartseva, 2003, Appl . Biochem. Biotech. 109: 285-301).

En el tratamiento con mayor concentración (Tratamiento 4, Figura 1 b.), el isobutanol se degradó de una concentración inicial de 3,400 µ? hasta por debajo del límite de detección analítico dentro de los 23 días. Como el isobutanol se degradó, se observó la formación y subsiguiente degradación de dos productos de descomposición del isobutanol, isobutilaldehído y ácido isobutírico. El isobutilaldehído alcanzó una concentración máxima de 900 µ? en el día 9 y, después, comenzó a reducirse hasta por debajo del límite de detección analítico de 11 µ? después de 19 días . El ácido isobutírico aumentó hasta una concentración máxima de 1,750 µ? en el día 25 y después se redujo a 100 µ? en el día 48. En el segundo conjunto de microcosmos usados para comparar el isobutanol y el etanol (Tratamiento 5) , el isobutanol se degradó en un plazo similar y se observó ácido isobutírico en cantidades similares. Sin embargo, solo se observaron niveles de trazas de isobutilaldehído (78 µ?) .

En los microcosmos modificados con etanol, las concentraciones de etanol se redujeron de 11,000 µ? hasta por debajo del límite de detección analítico de 22 µ? en aproximadamente 40 a 45 días (Figura 1C) . No se observaron reducciones del etanol en los controles. Para garantizar que la degradación del etanol observada no estuviera limitada por los nutrientes disponibles, se añadieron nutrientes en forma de un medio salino basal modificado (Hareland et al., 1975) a todos los tratamientos en el día 22. No se observó un aumento mensurable en la tasa de degradación del etanol (o cualquier otro compuesto) , lo que sugiere que la biodegradación de contaminantes no estaba limitada por la disponibilidad de nutrientes cerca del día 22 en el sistema experimental.

Degradación de BTEX Los microcosmos modificados con mayores concentraciones de BTEX, con y sin isobutanol, se muestran en la Figura 2. Los resultados de BTEX en menores concentraciones se proporcionan en las Figuras 4A-4D. El tiempo de retraso y el período de semidesintegración efectivo de primer orden regresivo se muestran en días en la Tabla 3. El período de semidesintegración efectivo es el período de semidesintegración regresivo más el tiempo dé retraso. (IBA = isobutanol; los valores ± indican intervalos de confianza del 95 %) .

Tabla 3. Tiempos de retraso y período de semidesintegracion efectivo regresivo (??/2) para BTEX.

Las concentraciones de BTEX en los controles de alta concentración no mostraron una tendencia de disminución observable durante aproximadamente 25 días, momento en el que se observaron reducciones en las concentraciones de control para algunos compuestos (hasta aproximadamente 20 %) . Los controles fueron, posteriormente, nuevamente modificados con formaldehído para inhibir la actividad microbiana; del formaldehído adicional y para evitar otras reducciones en los controles. A los 25 días, la mayoría de los compuestos BTEX se habían degradado, por lo que estas pérdidas no afectaron la evaluación de los datos. No se observaron reducciones significativas (>10 %) en los controles de BTEX en baja concentración, excepto para los xilenos totales, en donde se observó una reducción de aproximadamente 25 % en la concentración de xilenos totales durante el período de 10 días en que se realizó este experimento.

Los períodos de semidesintegración para los compuestos BTEX en condiciones aerobias (Tabla 3) se encontraron, generalmente, en el intervalo observado por otros (véase la revisión de United States Geological Survey, 2006, Description, properties, and degradation of selected volatile organic compounds detected in groundwater—a review of selected literature. Open File Report 2006-1338) . Los resultados para los microcosmos de comparación (Tratamientos 4, 5 y 6) muestran que el etanol generalmente exhibió mayores impactos adversos en la biodegradación de BTEX que el isobutanol (Figuras 3A-3D y Tabla 3) . La única excepción fue el etilbenceno, en donde el isobutanol y el etanol afectaron la biodegradación del etilbenceno en forma similar. Además, la adición de isobutanol resultó en un aumento reducido pero mensurable en la biodegradación de etilbenceno y xilenos totales en los tratamientos con baja concentración (Tratamientos 1 y 3) , posiblemente debido al crecimiento fortuito de degradadores de etilbenceno y xilenos totales en el isobutanol.

Los períodos de semidesintegración efectivos para BTEX en el Tratamiento 5 fueron menores que en el Tratamiento 4 (Tabla 3) en aproximadamente un factor de dos a cinco. Sin embargo, la tasa de biodegradación del isobutanol en estos dos tratamientos fue aproximadamente la misma.

Caracterización microbiana.

Los resultados de los recuentos de colonias microbianas y análisis qPCR se muestran en la Figura 13. Estos datos muestran que las concentraciones microbianas en los microcosmos aumentaron durante el período del estudio. Tanto los recuentos de colonias microbianas como los datos de eubacterias totales muestran tendencias similares, aunque las concentraciones de eubacterias determinadas por análisis molecular fueron mayores que los recuentos de colonias microbianas. No es inusual que exista una discrepancia entre los recuentos de placas aerobias y las bacterias totales por análisis molecular, ya que algunas bacterias no crecen adecuadamente en las placas de agar y el segundo método mide bacterias cultivables, no cultivables, anaerobias y aerobias. Los datos de los recuentos de placas confirmaron que había bacterias naturales capaces de degradar tanto isobutanol como BTEX en los materiales del sitio. Como se indicó en los tratamientos con baja concentración, el crecimiento microbiano se vio limitado cuando el sustrato (ya sea BTEX o isobutanol) se redujo.

Ejemplo 2. Pruebas anaerobias Materiales y métodos Suelo y agua subterránea La recolección de suelo y agua subterránea y los procedimientos de recolección de muestras y manipulación son los descritos anteriormente. Los datos de referencia del suelo y el agua subterránea se presentan en la Tabla 4. (NA = No analizado; * Las detecciones de SVOC incluyen 0.008 mg L-l de fenol y 0.003 mg L-l de bis (2-etilhexil) ftalato,-** unidades estándar) Tabla 4: Parámetros de agua subterránea y suelo Preparación de microcosmos Para los experimentos de microcosmos, se evaluó la biodegradacion de BTEX e isobutanol en suspensiones de suelo y agua subterránea en condiciones que iban de nitrato-reductoras a metanógenas . Se evaluaron BTEX e isobutanol en concentraciones "altas" y "bajas" (Tabla 5) . Se prepararon dos tratamientos por medio del uso de etanol en lugar de isobutanol. Las concentraciones de aceptores de electrones reflejan la cantidad añadida a la muestra (Tabla 5) y no incluyen concentraciones de fondo de aceptores de electrones en el agua subterránea del sitio. Las concentraciones de BTEX y alcohol representan las concentraciones potenciales de agua subterránea que podrían observarse en un área fuente y en una descarga corriente abajo cercana. El propósito de las mayores concentraciones de etanol respecto de las concentraciones de isobutanol usadas en este estudio fue reflejar las solubilidades efectivas del isobutanol y el etanol en agua subterránea. El etanol tiene una solubilidad acuosa de aproximadamente 10 veces la del isobutanol, y el coeficiente de partición de octanol-agua del isobutanol es aproximadamente 10 veces el del etanol (Organization for Economic Co-operation and Development, 2004. SIDS Assessment Report for SIAM 19- Ethanol (CAS núm. 64-17-5) . Berlín, Alemania; Organization for Economic Co-operation and Development, 2004. SIDS Assessment Report for SIAM 19-Isobutanol (CAS núm. 78-83-1) , Berlín, Alemania) . Debido a que se previo que la tasa de biodegradación del etanol sería mayor que la del isobutanol, se seleccionó cuidadosamente una concentración molar de etanol aproximadamente 3 veces mayor que la de isobutanol para las pruebas.

Todas las preparaciones de microcosmos se realizaron en una cámara anaerobia. Los microcosmos se prepararon al colocar 40 g de suelo del sitio en botellas de suero de vidrio de 160 mi. Se añadió BTEX y alcohol en las botellas de tratamiento para alcanzar las concentraciones objetivo que se muestran en la Tabla 5. (Las concentraciones objetivo de BTEX para cada compuesto BTEX se enumeran en la columna BTEX) . Se llenaron las botellas con agua subterránea; se dejó un espacio de cabezal de aproximadamente 2 mi . Se modificaron los microcosmos de control con cloruro mercúrico (700 mg LT1 en las botellas) y formaldehído (1 % en volumen en las botellas) para limitar la actividad microbiana. Los tratamientos se prepararon con un mínimo de 3 réplicas para los análisis de alcohol y BTEX; se usó una réplica adicional por tratamiento para monitorear los aceptores de electrones y el metano.

Las botellas se precintaron con tapones de butilo revestidos con Teflon y se incubaron a 15 °C en un agitador giratorio que opera a 100 rpm. De ser necesario, se añadieron aceptores de electrones adicionales para mantener las condiciones reductoras deseadas. Los controles se modificaron con cloruro mercúrico y formaldehído . Las concentraciones de aceptores de electrones modificadas se muestran en la última columna. Se añadieron nutrientes, en forma de un medio salino basal modificado (Hareland et al., 1975), a todos los tratamientos a los 22 días.

Tabla 5: Matriz de tratamiento experimental Métodos analíticos Los gases del espacio de cabezal se analizaron para detectar BTEX mediante el uso de un cromatógrafo de gases (GC) Varian CP-3900 equipado con un detector de ionización de llama (FID) y una columna Res ek QSPLOT, y para detectar metano mediante el uso de un GC equipado con un FID y una columna Restek Rt-Alumina. Las concentraciones acuosas se calcularon mediante la aplicación de la Ley de Henry.

Las concentraciones acuosas de alcohol (así como también los productos de degradación del isobutánol potenciales, isobutilaldehído y ácido isobutírico) se analizaron por medio del uso de un cromatografo de gases Varían CP-3800, equipado con un FID y una columna Stabilwax DA. Las muestras acuosas se recolectaron para realizar el análisis de aniones mediante cromatografía de iones (Dionex DX-120, Sunnyvale, CA) . Además, se midió periódicamente el nitrato por medio del uso de tiras de prueba de nitrato Quant (EMD Chemicals, Gibbstown, NJ) . El hierro total y disuelto se midió por medio del uso de los kits de prueba de Hach (Hach, Loveland, CO) de conformidad con las instrucciones del fabricante.

Análisis microbianos Se obtuvieron muestras de las submuestras de la suspensión de microcosmos (aproximadamente 8 mi) de los Tratamientos 2, 6, 9 y 12 al principio y al final del experimento para determinar los cambios en la población microbiana durante el transcurso del estudio. Las muestras se congelaron inmediatamente a -70 °C y (al finalizar el estudio) se enviaron sobre hielo seco a Microbial Insights, Rockford, TN, para determinar la reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa (qPCR) de las eubacterias totales, las bacterias desnitrificantes, las bacterias hierro y sulfato-reductoras y las bacterias metanógenas mediante la técnica de PCR cuantitativa CENSUS™ (Microbial Insights, 2009 http: //www.microbe. com/how-census-works .html y http : //microbe . com/census-applications/anaerobic-btex. html; consultados el 07.07.2009 y 05.08.09, respectivamente).

Degradación de isobutanol y etanol El isobutanol se degradó completamente en los tratamientos con alta concentración y las tasas de degradación variaron en condiciones anaerobias diferentes. La Figura 5 muestra las concentraciones de isobutanol y aceptores de electrones en los tratamientos con mayor concentración (Tratamientos 2, 6, 9 y 12). Las concentraciones de fondo de sulfato se muestran para el tratamiento sin modificaciones. No se observaron reducciones en el isobutanol o el etanol, ni acumulación de isobutilaldehído o ácido isobutírico, en los microcosmos de control . Se observó la biodegradación de isobutanol más rápida en los microcosmos modificados con nitrato. En un período de 16 días, el isobutanol se degradó hasta por debajo de los límites de detección en condiciones nitrato-reductoras (Tratamiento 6) . El nitrato se usó simultáneamente con la degradación de isobutanol y se redujo hasta no ser detectado para el día 13 antes de ser modificado nuevamente en el día 14. No se observó una reducción mensurable en el sulfato de fondo en el Tratamiento 6 hasta los 19 días (no se muestran los datos) .

La biodegradación del isobutanol se observó en los tratamientos modificados con sulfato (Tratamiento 12) y los microcosmos sin modificaciones (Tratamiento 2) , en donde existió una concentración de fondo de sulfato limitada. Para evaluar la biodegradación del isobutanol después de la reducción del sulfato (es decir, condiciones metanogenas) , se volvió a añadir isobutanol en las botellas de microcosmos para el Tratamiento 2 (hasta una concentración final de 3,400 µ?) a los 88 días. El isobutanol adicional se degradó en aproximadamente 30 días. Sin embargo, solo niveles de trazas (< 2 µ?) de metano se observaron en el Tratamiento 2 luego de la reducción del sulfato, que es similar a los niveles de metano en los controles.

El isobutanol en el tratamiento modificado con hierro se biodegradó por debajo del límite de detección analítico en aproximadamente 80 días. El hierro férrico, monitoreado durante 44 días, mostró concentraciones en un intervalo de aproximadamente 18 a 36 µ?. Sin embargo, se observaron solo niveles relativamente bajos de hierro ferroso disuelto (hasta 36 µ?) . La ausencia de una acumulación considerable de hierro ferroso fue probablemente el resultado de la formación de sulfuro de hierro en las botellas de microcosmos, ya que se observó un precipitado de color negro. Además, y en conformidad con la formación de sulfuros de hierro, las concentraciones de fondo de sulfato se redujeron en el tratamiento modificado con hierro. Las reducciones en las concentraciones de isobutanol se relacionaron con las reducciones en los niveles de sulfato.

En los microcosmos con menores concentraciones de isobutanol (Tratamientos 3, 7, 10 y 13) , el isobutanol se biodegradó completamente en aproximadamente 25 días en el tratamiento modificado con hierro, y en aproximadamente 15 días en los tratamientos sin modificaciones, modificados con nitratos y modificados con sulfato (Figuras 9A-9D) . Además de los aceptores de electrones modificados, cada microcosmo contenía aproximadamente niveles de nitrato de fondo de 100 µ? en el material de agua subterránea, y se observaron reducciones del nitrato de fondo en relación con la biodegradación del isobutanol durante la incubación. La degradación de un mol de isobutanol requiere, teóricamente, cuatro moles de nitrato, que se considera que se reduce completamente a nitrógeno (McCarty, "Bioengineering issues related to in situ remediation of contaminated soils and groundwater" Environmental Technology, en: Omenn, G.S., Reducing risks from environmental chemicals through biotechnology . Plenum press, Nueva York, págs . 143-162, 1988) . Los experimentos en cultivos de enriquecimiento sugirieron que la relación molar del nitrato consumido y el benceno degradado era de diez, dos veces el número teórico (Burland y Edwards, 1999, Appl Environ Microbiol 65(2): 529-533) . El nitrato de fondo de 100 µ? podría facilitar la biodegradación de aproximadamente 13 µ? de isobutanol, 18 % del isobutanol inicial en los tratamientos con baja concentración. No se observó una reducción del sulfato de fondo en los tratamientos con baja concentración.

El ácido isobutírico y los niveles de trazas del isobutilaldheído se identificados como intermedios de biodegradación transitorios; la biodegradación subsiguiente de estos dos compuestos se observó en todos los tratamientos . El ácido isobutírico se acumuló hasta alcanzar cerca de las cantidades estequiométricas (con un factor de aproximadamente 2) , con excepción del tratamiento modificado con nitrato de alta concentración, en donde solo se observó una acumulación del 5 % . La generación limitada de ácido isobutírico en el tratamiento con nitrato de alta concentración no puede explicarse fácilmente.

En los microcosmos modificados con etanol (Tratamientos 4 y 14) , el etanol se degradó hasta por debajo del límite- de detección analítico en aproximadamente 60 días en condiciones sulfato-reductoras (Figuras 6A-6B) . Se detectó metano en los Tratamientos 4 y 14 (4 y 25 µ?, respectivamente) en el día 44, pero se redujo hasta niveles no detectables para el día 78.

Para evaluar la biodegradación del etanol luego de la reducción del sulfato, se volvió a añadir etanol en las botellas del Tratamiento 4 a los 88 días. La biodegradación subsiguiente del etanol hasta por debajo del límite de detección analítico se produjo dentro de los 90 días. Este resultado es consistente con los estudios anaerobios de etanol anteriores que documentan la biodegradacion del etanol mediante fermentación en ausencia de sulfato (Laanbroek et al., 1982, Arch. Microbiol . 133: 178-184).

Degradación de BTEX.

Las reducciones en las concentraciones de BTEX en los controles fueron insignificantes (<15 %) durante el transcurso de los experimentos. La biodegradacion de BTEX en los tratamientos con mayor concentración se muestra en las Figuras 5A-5D y 7A-7D, los resultados de BTEX en menor concentración (con tratamientos comparativos con etanol) se presentan en las Figuras 8A-8D. No hay datos disponibles para los dos últimos puntos de tiempo para el Tratamiento 4 debido a que BTEX se volvió a añadir inadvertidamente en este tratamiento .

La biodegradacion del tolueno se observó en todos los microcosmos de alta concentración modificados con aceptores de electrones (Figuras 7A-7D) . Cuando se lo incubó sin alcoholes, aproximadamente 38 µ? de tolueno se degradó hasta por debajo de los límites de detección dentro de los 80 días en condiciones nitrato-reductoras , hierro-reductoras y sulfato-reductoras , respectivamente. La presencia de isobutanol tuvo un leve impacto en la degradación del tolueno en condiciones nitrato-reductoras y sulfato-reductoras , pero redujo la tasa de degradación del tolueno én los microcosmos modificados con hierro. En los microcosmos de alta concentración sin modificaciones (Tratamiento 2) , no obstante, no se observó una tendencia mensurable a la disminución de la concentración de tolueno respecto de los controles. El sulfato de fondo en el Tratamiento 2 se redujo en los primeros 30 días, supuestamente debido a la biodegradación del isobutanol, y la falta de aceptores de electrones fue, probablemente, el motivo de la persistencia del tolueno en los tratamientos no modificados. En los microcosmos de menor concentración, en donde había suficientes aceptores de electrones, el isobutanol tuvo poco impacto en la biodegradación del tolueno tanto en los microcosmos sin modificaciones (con sulfato limitado) como en cualquiera de los microcosmos modificados con aceptores de electrones (Figura 8) . Los resultados para el etilbenceno y los xilenos totales (Figuras 10A-10D) fueron similares a los del tolueno, aunque la biodegradación del etilbenceno y los xilenos totales se produjo un poco más lentamente en comparación con el tolueno.

En los tratamientos con mayor concentración de BTEX sin isobutanol, no se observó una biodegradación sustancial del benceno en ninguna de las condiciones anaerobias durante 162 días de incubación (Figura 7) . Sin embargo, la presencia de isobutanol pareció estimular la biodegradacion del benceno en condiciones hierro-reductoras y sulfato-reductoras , ya que las concentraciones de benceno en los Tratamientos 9 y 12 comenzaron a reducirse al final del experimento. En los tratamientos con baja concentración en condiciones sulfato-reductoras, las concentraciones de benceno se redujeron hasta por debajo del límite de detección analítico (0.50 µ?) en los microcosmos con isobutanol (Tratamiento 13) , y hasta aproximadamente 0.85 µ? en los microcosmos con etanol (Tratamiento 14) después de aproximadamente 300 días de incubación. La biodegradacion del benceno comenzó antes del día 120 en el Tratamiento 14 y entre los días 160 y 300 en el Tratamiento 13.

Análisis microbianos Los resultados de los análisis microbianos, que se muestran en la Tabla 6 mostraron, generalmente, un aumento en las concentraciones microbianas durante las incubaciones. (Los valores están en células por mi"1; los valores + indican intervalos de confianza del 95 %) .

Tabla 6: Resultados de los análisis microbianos 5 10 15 En los microcosmos que contienen hierro férrico (Tratamiento 9) o sulfato (Tratamientos 2 y 12) , la población de bacterias hierro-reductoras y sulfato-reductoras correspondientes aumentaron 1000 veces, respectivamente. Como el nitrato se redujo hacia el final de la incubación anaerobia en el Tratamiento 6, la población metanógena aumentó 100 veces. Se observaron aumentos levemente menores de biomasa metanógena en los otros tratamientos .

No se observó un mayor crecimiento de bacterias desnitrificantes en los tratamientos modificados con nitrato. Una explicación de esta observación es que, aunque se monitorearon dos genes de nitrato reductasa diferentes, los genes funcionales para las bacterias desnitrificantes en nuestro sistema no se cuantificaron. Alternativamente, si bien la actividad de las bacterias desnitrificantes puede haber sido sustancial, es posible que su crecimiento haya sido reducido, como se observó en los estudios de n-butanol en condiciones desnitrificantes realizados por Dubbels et al. (2009, Int. J. Syst. Evol . Microbiol . 59: 1576-1578). Similarmente, las bacterias fermentadoras que no dependen de la reducción de nitrato para su crecimiento pueden también estar involucradas en la degradación del isobutanol en condiciones desnitrificantes (Laanbroek et al., 1982, Arch. Microbiol. 133: 178-184) .

Ejemplo 3. Isobutanol como cosolvente de etanol Las pruebas de especificación de la tolerancia al agua y separación de fases se realizaron en mezclas de isobutanol-etanol-gasolina a 18 °C (65 °F) . Se mezclaron cantidades crecientes de isobutanol con gasolina E10 y, después, se añadió 1.3 % o 2.6 % de agua a todas las mezclas. Fue necesario aumentar el agua a 2.6 % en volumen para ciertas mezclas porque las mezclas de gasolina que contienen etanol absorben mayor cantidad de agua, y 1.3 % de agua no siempre fue suficiente para inducir la formación de las fases acuosa y de hidrocarburo separadas para el análisis (es decir, el 1.3 % en volumen de agua fue absorbido completamente por las mezclas con mayor concentración de isobutanol) . Esto puede observarse en la Figura 11, en donde 1.3 % en volumen fue suficiente para formar las dos fases hasta que la cantidad de isobutanol en E10 alcanzó 5 % en volumen, pero para el 10 % en volumen de isobutanol en E10, se debió aumentar el nivel a 2.6 % en volumen de agua para inducir la separación de fases.

Los datos en la Figura 12 muestran que la cantidad de etanol extraído en la fase acuosa se redujo con el aumento de la concentración de isobutanol, lo que indica que el isobutanol actúa como un cosolvente del etanol. Las concentraciones tanto en la fase de hidrocarburo como acuosa se determinaron mediante cromatografía de gases.

La descripción anterior de las modalidades específicas revelará completamente la naturaleza general de la invención de manera que otros puedan, al aplicar el conocimiento en la técnica, modificar y/o adaptar fácilmente las modalidades específicas para diversas aplicaciones, sin experimentación indebida y sin apartarse del concepto general de la presente invención. Por lo tanto, las adaptaciones y modificaciones están destinadas a permanecer dentro del sentido y el alcance de los equivalentes de las modalidades descritas, con base en la enseñanza y la orientación incluidas en la presente. Debe comprenderse que la fraseología o terminología usada en la presente descripción tiene como fin ser descriptiva y no limitante, de manera que la terminología o fraseología de la presente especificación debe interpretarse por la persona experta en virtud de las enseñanzas y la orientación proporcionadas .

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (28)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. Un método para aumentar la capacidad de renovación de una composición combustible de hidrocarburos y limitar el impacto en un compartimento ambiental en caso de contaminación causada por la composición combustible de hidrocarburos; caracterizado porque comprende añadir una cantidad adecuada de isobutanol en la composición combustible de hidrocarburos para aumentar la biodegradabilidad de la composición combustible de hidrocarburos.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además la composición combustible de hidrocarburos comprende, adicionalmente , etanol.

3. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además el etanol comprende hasta aproximadamente 10 % de la composición combustible antes de la adición de isobutanol.

4. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además el isobutanol proporciona una biodegradación mejorada de al menos uno de los componentes BTEX de la composición combustible de hidrocarburos.

5. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además el isobutanol proporciona una biodegradacion mejorada del benceno.

6. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque además el compartimento ambiental incluye una matriz de suelo, y caracterizado porque además la adición de isobutanol reduce el transporte de etanol en una matriz de suelo.

7. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además la adición de isobutanol impide la expansión de la descarga de BTEX de la composición.

8. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además la adición de isobutanol mejora la biodegradabilidad de diversos componentes de la composición combustible de hidrocarburos.

9. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 4 o 5, caracterizado porque además la biodegradacion mejorada ocurre en condiciones aerobias.

10. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 4 o 5, caracterizado porque además la biodegradacion mejorada ocurre en condiciones nitrato o sulfato reductoras.

11. Un método para mejorar el impacto ambiental de una composición combustible de hidrocarburos que comprende isobutanol en un compartimento ambiental en condiciones anaerobias; caracterizado porque comprende añadir un aceptor de electrones al compartimento en una cantidad suficiente para aumentar la tasa de biodegradación de uno o más de los componentes BTEX.

12. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque además el aceptor de electrones es hierro, sulfato o nitrato, o una combinación de estos.

13. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque además el aceptor de electrones es Fe (OH) 3.

14. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque además el aceptor de electrones es NaN03.

15. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque además el aceptor de electrones es MgS04.

16. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque además uno o más de los componentes BTEX comprenden tolueno .

17. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque además uno o más de los componentes BTEX comprenden xileno.

18. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque además uno o más de los componentes BTEX comprenden benceno.

19. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque además el aceptor de electrones es nitrato y se añade en una cantidad suficiente para crear condiciones nitrato-reductoras .

20. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque además el aceptor de electrones es sulfato y está presente en una cantidad suficiente para crear condiciones sulfato-reductoras .

21. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque además el aceptor de electrones es nitrato y está presente en una cantidad suficiente para crear condiciones nitrato-reductoras, y además el tolueno se biodegrada en aproximadamente la misma cantidad de días que el isobutanol.

22. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque además el aceptor de electrones es sulfato y está presente en una cantidad suficiente para crear condiciones sulfato-reductoras , y además el tolueno se biodegrada en aproximadamente la misma cantidad de días que el isobutanol.

23. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque además el aceptor de electrones es nitrato y está presente en una cantidad suficiente para crear condiciones nitrato-reductoras, y además el benceno se biodegrada en aproximadamente la misma cantidad de días que el isobutanol.

24. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque además el aceptor de electrones es sulfato y está presente en una cantidad suficiente para crear condiciones sulfato-reductoras , y además mejora la biodegradacion del benceno en comparación con su biodegradacion sin condiciones sulfato-reductoras .

25. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque además el aceptor de electrones es sulfato y está presente en una cantidad suficiente para crear condiciones sulfato-reductoras , y además mejora la biodegradacion del benceno en comparación con su biodegradacion en ausencia de isobutanol .

26. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque además el aceptor de electrones es sulfato y está presente en una cantidad suficiente para crear condiciones sulfato-reductoras , y además mejora la biodegradacion del benceno en comparación con su biodegradacion en presencia de etanol .

27. Una composición caracterizada porque comprende gasolina, isobutanol y al menos uno de Fe(0H)3( NaN03, o MgS04.

28. Una composición caracterizada porque comprende gasolina, isobutanol y al menos uno de Fe(OH)3, NaN03, KN03, NHN03, Na2S04, CaS04, gS04, hierro quelado, hierro cerovalente y nano hierro cerovalente.