ES2578229T3

ES2578229T3 - Fermentación de CO mediante el uso de un potencial eléctrico

Info

Publication number: ES2578229T3
Application number: ES11733140.5T
Authority: ES
Inventors: Will David Barker; Jason Carl Bromley; Christophe Daniel Mihalcea
Original assignee: Lanzatech New Zealand Ltd
Current assignee: Lanzatech NZ Inc
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2031-01-14
Also published as: CN102741417B; EP2524046A4; KR101317447B1; EP2524046A1; WO2011087380A1; US20110269197A1; CA2786751C; CA2786751A1; CN105755058A; AU2011205873B2; CN102741417A; ES2690151T3; EP3070170B1; PT2524046T; PL3070170T3; EP2524046B1; CN105755058B; KR20120125497A; MY159196A; AU2011205873A1

Abstract

Un método para la fermentación microbiana de un sustrato que comprende monóxido de carbono (CO), y dicha fermentación se da en un biorreactor, en el que el método comprende aplicar un potencial eléctrico a través de un caldo de fermentación dentro del biorreactor.

Description

imagen1

imagen2

imagen3

imagen4

imagen5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Fermentación

Ciertas realizaciones de la invención se adaptan para usar corrientes de gas producidas por uno o más procesos industriales. Dichos procesos incluyen procesos de fabricación de acero, particularmente procesos que producen una corriente de gas que tiene un alto contenido de CO o un contenido de CO por encima de un nivel predeterminado (es decir, 5%). Según dichas realizaciones, se usan preferiblemente bacterias acetogénicas para producir ácidos y/o alcoholes, en particular etanol o butanol, en uno o más biorreactores. Los expertos en la técnica serán conscientes en la consideración de la descripción actual que la invención puede aplicarse a diversas industrias

o corrientes de gas residual, incluyendo los de vehículos con un motor de combustión interna. Además, los expertos en la técnica serán conscientes en la consideración de la descripción actual que la invención puede aplicarse a otras reacciones de fermentación que incluyen las que usan los mismos o diferentes microorganismos. Se pretende por lo tanto que el alcance de la invención no esté limitado a las realizaciones particulares y/o solicitudes descritas aunque se va a entender en vez de eso en un sentido más amplio; por ejemplo, la fuente de la corriente de gas no es limitante, aparte de eso al menos un componente de la misma es útil para alimentar la reacción de fermentación. La invención tiene una aplicabilidad particular para mejorar la captura de carbono total y/o la producción de etanol y otros alcoholes a partir de sustratos gaseosos que comprenden CO. Los procesos para la producción de etanol y otros alcoholes a partir de sustratos gaseosos se conocen. Los procesos ejemplares incluyen los descritos, por ejemplo, en los documentos WO2007/117157, WO2008/115080, WO2009/022925, WO2009/064200, US 6.340.581, US 6.136.577, US 5.593.886, US 5.807.722 y US 5.821.111.

Se sabe que varias bacterias anaeróbicas son capaces de llevar a cabo la fermentación de CO a alcoholes, que incluyen n-butanol y etanol, y ácido acético, y son adecuadas para el uso en el proceso de la presente invención. Los ejemplos de tales bacterias que son adecuadas para el uso en la invención incluyen las del género Clostridium, tales como las cepas de Clostridium ljungdahlii, que incluyen las descritas en los documentos WO 00/68407, EP 117309, las patentes de EE.UU. Nºs 5.173.429, 5.593.886, y 6.368.819, los documentos WO 98/00558 y WO 02/08438, Clostridium carboxydivorans (Liou et al., International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology

33: págs. 2085-2091), Clostridium ragsdalei (documento WO/2008/028055) y Clostridium autoethanogenum (Abrini et al, Archives of Microbiology 161: págs. 345-351). Otras bacterias adecuadas incluyen las del género Moorella, que incluyen Moorella sp HUC22-1, (Sakai et al, Biotechnology Letters 29: págs. 1607-1612), y las del género Carboxydothermus (Svetlichny, V.A., Sokolova, T.G. et al (1991), Systematic and Applied Microbiology 14: 254-260). Los ejemplos adicionales incluyen Moorella thermoacetica, Moorella thermoautotrophica, Ruminococcus productus, Acetobacterium woodii, Eubacterium limosum, Butyribacterium methylotrophicum, Oxobacter pfennigii, Methanosarcina barkeri, Methanosarcina acetivorans, Desulfotomaculum kuznetsovii (Simpa et. al. Critical Reviews in Biotechnology, 2006 Vol. 26. Págs. 41-65). Además, se debería entender que otras bacterias anaeróbicas acetogénicas pueden ser aplicables a la presente invención como entendería un experto en la técnica. Se apreciara también que la invención puede aplicarse a un cultivo mixto de dos o más bacterias.

Un microorganismo ejemplar adecuado para el uso en la presente invención es Clostridium autoethanogenum. En una realización, la Clostridium autoethanogenum es una Clostridium autoethanogenum que tiene las características identificativas de la cepa depositada en el Centro de Recursos Alemán para Material Biológico (DSMZ) bajo el número de depósito identificativo 19630. En otra realización, la Clostridium autoethanogenum es una Clostridium autoethanogenum que tiene las características identificativas del número de depósito DSMZ de DSMZ 10061.

El cultivo de las bacterias usadas en los métodos de la invención puede llevarse a cabo usando cualquier número de procesos conocidos en la técnica para cultivar y fermentar sustratos usando bacterias anaeróbicas. Técnicas ilustrativas se proporcionan en la sección "Ejemplos" posterior. Por medio de ejemplo adicional, pueden utilizarse los procesos descritos generalmente en los siguientes artículos que usan sustratos gaseosos para la fermentación: (i) K.

T. Klasson, et al. (1991). Bioreactors for synthesis gas fermentations resources. Conservation and Recycling, 5; 145165; (ii) K. T. Klasson, et al. (1991). Bioreactor design for synthesis gas fermentations. Fuel. 70. 605-614; (iii) K. T. Klasson, et al. (1992). Bioconversion of synthesis gas into liquid or gaseous fuels. Enzyme and Microbial Technology. 14, 602-608; (iv) J. L. Vega, et al. (1989). Study of Gaseous Substrate Fermentation: Carbon Monoxide Conversion to Acetate. 2. Continuous Culture. Biotech. Bioeng. 34. 6. 785-793; (v) J. L. Vega, et al. (1989). Study of gaseous substrate fermentations: Carbon monoxide conversion to acetate. 1. Batch culture. Biotechnology and Bioengineering. 34. 6. 774-784; (vi) J. L. Vega, et al. (1990). Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations. Resources, Conservation and Recycling. 3. 149-160.

La fermentación puede llevarse a cabo en cualquier biorreactor adecuado, tal como un reactor de tanque en agitación continua (CSTR), un reactor de célula inmovilizada, un reactor con inyección de gas, un reactor de columna de burbujas (BCR), un reactor de membrana, tal como Biorreactor de Membrana de Fibra Hueca (HFMBR)

o un reactor de lecho irrigado (TBR). Además, en algunas realizaciones de la invención, el biorreactor puede comprender un primer reactor de crecimiento en que los microorganismos se cultivan, y un segundo reactor de fermentación, al que el caldo de fermentación del reactor de crecimiento se alimenta y en que la mayoría del producto de fermentación (por ejemplo, etanol y acetato) se produce.

Según varias realizaciones de la invención, la fuente de carbono para la reacción de fermentación es un sustrato gaseoso que contiene CO. El sustrato puede ser un gas residual que contiene CO obtenido como subproducto de un proceso industrial, o de otra fuente tal como de humos de escape de automóvil. En ciertas realizaciones, el proceso

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

industrial se selecciona del grupo que consiste en fabricación de productos metálicos ferrosos, tal como una planta siderúrgica, fabricación de productos no ferrosos, procesos de refinado de petróleo, gasificación de carbón, producción de energía eléctrica, producción de negro de carbono, producción de amoniaco, producción de metanol y fabricación de coque. En estas realizaciones, el sustrato que contiene CO puede capturarse del proceso industrial antes de emitirse en la atmósfera, usando cualquier método conveniente. Dependiendo de la composición del sustrato que contiene CO, puede ser deseable tratarlo para eliminar cualquier impureza indeseada, tal como partículas de polvo antes de introducirlo a la fermentación. Por ejemplo, el sustrato gaseoso puede filtrarse o lavarse usando métodos conocidos.

De forma alternativa, el sustrato que contiene CO puede sacarse de la gasificación de biomasa. El proceso de gasificación implica combustión parcial de biomasa en un suministro restringido de aire u oxígeno. El gas resultante típicamente comprende principalmente CO y H2, con volúmenes mínimos de CO2, metano, etileno y etano. Por ejemplo, los subproductos de biomasa obtenidos durante la extracción y procesado de alimentos tales como azúcar de la caña de azúcar, o almidón del maíz o granos, o desecho de biomasa que no es alimento generado mediante la industria forestal puede gasificarse para producir un gas que contiene CO adecuado para el uso en la presente invención.

El sustrato que contiene CO contendrá en general una proporción importante de CO, tal como al menos alrededor del 20% a alrededor del 100% de CO en volumen, del 40% al 95% de CO en volumen, del 60% al 90% de CO en volumen, y del 70% al 90% de CO en volumen. En las realizaciones particulares, el sustrato comprende un 25%, o 30%, o 35%, o 40%, o 45%, o 50% de CO en volumen. Los sustratos que tienen concentraciones inferiores de CO, tales como un 6%, también pueden ser adecuados, en particular cuando también están presentes H2 y CO2.

Mientras que no es necesario para el sustrato contener ningún hidrógeno, la presencia de H2 no debería ser perjudicial para la formación de producto de acuerdo con métodos de la invención. En realizaciones particulares, la presencia de hidrógeno da por resultado una eficacia total mejorada de producción de alcohol. Por ejemplo, en realizaciones particulares, el sustrato puede comprender una relación aproximada de 2:1, o 1:1, o 1:2 de H2:CO. En otras realizaciones, la corriente de sustrato comprende bajas concentraciones de H2, por ejemplo, menos de 5%, o menos de 4%, o menos de 3%, o menos de 2%, o menos de 1%, o está esencialmente libre de hidrógeno. El sustrato puede también contener algo de CO2 por ejemplo, tal como aproximadamente 1% a aproximadamente 80% de CO2 en volumen, o 1% a aproximadamente 30% de CO2 en volumen.

Típicamente, el monóxido de carbono se añadirá a la reacción de fermentación en un estado gaseoso. Sin embargo, los métodos de la invención no están limitados a la adición del sustrato en este estado. Por ejemplo, el monóxido de carbono puede proporcionarse en un líquido. Por ejemplo, un líquido puede estar saturado con un monóxido de carbono que contiene gas y ese líquido añadirse al biorreactor. Esto puede alcanzarse usando metodología estándar. Por medio del ejemplo un generador de dispersión de microburbujas (Hensirisak et. al. Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation; Applied Biochemistry and Biotechnology Volumen 101, Número 3 / Octubre, 2002) podría usarse para este propósito.

Se apreciará que para que se dé el crecimiento de las bacterias y la fermentación de CO a alcohol, además del gas sustrato que contiene CO, necesitará alimentarse un medio nutriente líquido adecuado al biorreactor. Un medio nutriente contendrá vitaminas y minerales suficientes para permitir el crecimiento del microorganismo usado. Medios anaeróbicos adecuados para la fermentación de etanol usando CO como la única fuente de carbono se conocen en la técnica. Por ejemplo, los medios adecuados se describen en las patentes de EE.UU. Nºs 5.173.429 y 5.593.886 y en los documentos WO 02/08438, WO2007/117157, WO2008/115080, WO2009/022925, WO2009/058028, WO2009/064200, WO2009/064201 y WO2009/113878, mencionados anteriormente. La presente descripción proporciona un medio que tiene una eficacia incrementada en el mantenimiento del crecimiento de los microorganismos y/o en la producción de alcohol en el proceso de fermentación. Estos medios se describirán en más detalle en adelante.

La fermentación se llevaría a cabo deseablemente bajo condiciones apropiadas para que ocurra la fermentación deseada (por ejemplo, CO a etanol). Las condiciones de reacción que se considerarían incluyen presión, temperatura, caudal gaseoso, caudal líquido, pH del medio, potencial redox de los medios, velocidad de agitación (si se usa un reactor de tanque agitado en continuo), nivel de inóculo, concentraciones máximas de sustrato gaseoso para asegurar que el CO en la fase líquida no se vuelve limitante, y concentraciones máximas de producto para evitar la inhibición de producto. Se describen condiciones adecuadas en los documentos WO02/08438, WO07/117157, WO08/115080 y WO2009/022925.

Las condiciones de reacción óptimas dependerán parcialmente en el microorganismo particular usado. Sin embargo, en general, se prefiere que la fermentación se realice a presión mayor que la presión ambiente. Operando a presiones crecientes permite un aumento significativo en la velocidad de transferencia de CO de la fase gaseosa a la fase líquida donde puede dedicarse por el microorganismo como una fuente de carbono para la producción de etanol. Esto a su vez significa que el tiempo de retención (definido como el volumen líquido en el biorreactor dividido por el caudal de gas de entrada) puede reducirse cuando los biorreactores se mantienen a presión elevada más que a presión atmosférica.

imagen6

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Los productos de la reacción de fermentación (por ejemplo etanol y acetato) pueden recuperarse del caldo de fermentación eliminando de forma continua una parte del caldo del biorreactor de fermentación, separando células microbianas del caldo (convenientemente por filtración), y recuperando uno o más productos del caldo de forma simultánea o secuencial. En el caso de etanol puede recuperarse convenientemente por destilación, y el acetato puede recuperarse por adsorción en carbón activo, usando los métodos descritos anteriormente. Las células microbianas separadas se devuelven preferiblemente al biorreactor de fermentación. El permeado libre de células que permanece después de que el etanol y acetato se han eliminado se devuelve también preferiblemente al biorreactor de fermentación. Los nutrientes adicionales (tales como vitaminas B) pueden añadirse al permeado libre de células para reponer el medio nutriente antes de devolverlo al biorreactor. Además, si el pH del caldo se ajustó como se describe anteriormente para mejorar la adsorción de ácido acético al carbón activo, el pH debería reajustarse a un pH similar al del caldo en el biorreactor de fermentación, antes de devolverse al biorreactor.

Fermentación electroquímica

También se describe un método para mejorar la eficacia de la captura de carbono en la fermentación carboxidotrófica por medio de la ruta de Wood-Ljungdahl, y el método incluye aplicar un potencial eléctrico a través de la fermentación. Se puede aplicar un potencial eléctrico a través de una fermentación mediante cualquier medio conocido por los expertos en la técnica. Por ejemplo, un medio conocido para aplicar un potencial eléctrico es una celda electroquímica. En particular, una celda electroquímica adecuada para el uso con los métodos de la invención es una celda electrolítica. De acuerdo con la invención, la fermentación se lleva a cabo en general con un caldo de fermentación que comprende uno o más microorganismos y un medio nutriente acuoso que comprende nutrientes esenciales que incluyen iones metálicos. Como tal, el medio nutriente líquido proporciona un electrolito ideal para la electrolisis. Por lo tanto, se puede aplicar un potencial proporcionando electrodos conectados a un circuito eléctrico.

En las realizaciones particulares de la invención, el microorganismo es anaerobio y se debe mantener sustancialmente sin oxígeno. En la electrolisis, en la que ambos electrodos se introducen en un electrolito, se formará oxígeno en el ánodo por medio de la disociación del agua. Esto sería perjudicial para el cultivo microbiano. Como tal, en las realizaciones particulares, el método incluye aplicar un potencial eléctrico a través de la fermentación por medio de una semicelda, en la que el ánodo está separado del caldo de fermentación por medio de una membrana permeable a iones o puente salino alternativo. En tales realizaciones, se puede descargar el oxígeno sin perjuicio para el cultivo microbiano.

De acuerdo con la invención, el potencial eléctrico aplicado a la fermentación incrementa la eficacia de la fijación de carbono. En las realizaciones particulares de la invención, una bacteria carboxidotrófica fijará al menos una porción de un sustrato que comprende CO en la masa de células y/o los productos, tales como etanol. La energía necesaria para fijar el carbono se denomina en general 'equivalentes reductores', y se pueden obtener por medio de la oxidación de varias entidades reducidas. Las bacterias carboxidotróficas, tales como Clostridium autoethanogenum, obtienen en general los equivalentes reductores por medio de la oxidación de CO, y opcionalmente de H2. Sin embargo, de acuerdo con la invención, se mejora la eficacia de la fijación de carbono por medio de la aplicación de un potencial a través de una fermentación. De acuerdo con la invención, el carbono se fija en forma de masa de células y productos, tales como etanol, con una necesidad inferior de CO, y opcionalmente de H2, como equivalentes reductores. Así, la aplicación de un potencial a través de una fermentación carboxidotrófica disminuye la cantidad de CO2 producida por cantidad de carbono fijada en forma de masa de células y/o productos.

En general, cuando se aplica un potencial a través de una fermentación, se reducen uno o más mediadores de transporte de electrones, tales como bencil viológeno o metil viológeno presentes en el caldo de fermentación. Estos mediadores, a su vez, ayudan en la reducción de la maquinaria de reducción de las células microbianas, tal como el par Ferredoxinaox/red o los pares NAD(P)H/NAD(P). Así, de acuerdo con las realizaciones particulares de la invención, se proporcionan uno o más mediadores de transporte de electrones en el caldo de fermentación. Sin embargo, en las realizaciones particulares, el método se desarrolla sin la necesidad de mediadores de transporte de electrones.

También se ha reconocido que la aplicación de un potencial también puede alterar cómo el/los microorganismo(s) fija(n) el carbono. En el ejemplo proporcionado en la presente memoria, la aplicación de un potencial a través de una fermentación incrementa la proporción de carbono dirigida hacia la masa de células, y como tal incrementa el crecimiento microbiano. En las realizaciones particulares, el crecimiento microbiano se incrementa al menos un 5%,

o al menos un 10%, o al menos un 15%, o al menos un 20%.

Los expertos en la técnica apreciarán cómo determinar el potencial necesario para mejorar la eficacia de la fijación de carbono y/o para mejorar el crecimiento microbiano. Sin embargo, a modo de ejemplo, se puede aplicar una corriente directa con una tensión de hasta 20 V a través de los electrodos. En las realizaciones particulares, se aplica un potencial de al menos 2 V, o al menos 4 V, o al menos 6 V, o al menos 8 V, o al menos 10 V, o al menos 15 V, o al menos 20 V. En las realizaciones particulares de la invención, el potencial se puede controlar de forma que se mantenga una corriente sustancialmente constante a través del electrolito a aproximadamente 1 mA, o aproximadamente 2 mA, o aproximadamente 3 mA, o aproximadamente 4 mA, o aproximadamente 5 mA, o aproximadamente 6 mA, o aproximadamente 7 mA, o aproximadamente 8 mA, o aproximadamente 9 mA, o

aproximadamente 10 mA. De nuevo, los expertos en la técnica apreciarán cómo determinar una corriente óptima, que puede cambiar a lo largo del tiempo y puede ser diferente para microorganismos diferentes.

También se describe un biorreactor electroquímico, que comprende medios para introducir un sustrato que comprende CO, y opcionalmente H2, en un caldo de fermentación y medios para aplicar un potencial a través del 5 caldo de fermentación. En las realizaciones particulares, el medio para aplicar un potencial es controlable, de forma que se puede mantener una corriente deseada a través del caldo de fermentación.

La Figura 2 muestra un biorreactor electroquímico según un ejemplo particular de la descripción. El biorreactor 1 incluye medios para suministrar un sustrato gaseoso (2) y medios para aplicar un potencial a través de una fermentación. En los ejemplos particulares de la descripción, la fermentación es anaerobia, por lo tanto el biorreactor 10 electroquímico comprende dos electrodos 3 separados por un separador 4 permeable a iones. El separador permeable a iones puede ser una membrana porosa o material cerámico u otro material adecuado conocido en la técnica. En el uso, una porción del biorreactor 5 se puede rellenar con un caldo de fermentación que comprende uno

o más microorganismos y un medio nutriente líquido. En el uso, otra porción del biorreactor 6 se puede rellenar con una disolución salina conductora. Los electrodos 3 se configuran de forma que, en el uso, se pueden introducir en el

15 caldo de fermentación y la disolución salina conductora. El biorreactor también comprende un circuito eléctrico y medios para controlar un potencial (7) a través de los electrodos.

Ejemplos

Materiales y Métodos

Disolución A

NH4Ac: 3,083 g imagen7 KCl 0,15 g

MgCl2.6H2O: 0,61 g imagen8 imagen9 imagen10

CaCl2.2H2O: 0,294 g imagen11 Agua Destilada Hasta 1 L

Disolución(es) B

Componente: mol/L de H2O imagen12 Componente mol/L de H2O

FeCl3: 0,1 imagen13 Na2MoO4. 0,01

CoCl2: 0,05 imagen14 ZnCl2 0,01

NiCl2: 0,05 imagen15 MnCl2 0,01

H3BO3: 0,01 imagen16 NTA 0,3

Na2SeO3: 0,01 imagen17 imagen18 imagen19

Disolución C

Biotina: 20,0 mg D-(*)-pantotenato de calcio imagen20 50,0 mg

Ácido fólico: 20,0 mg

Piridoxina. HCl: 10,0 mg Vitamina B12 imagen21 50,0 mg

Tiamina. HCl: 50,0 mg Ácido p-aminobenzoico imagen22 50,0 mg

Riboflavina: 50,0 mg Ácido tióctico imagen23 50,0 mg

Ácido nicotínico: 50,0 mg Agua destilada imagen24 A 1 litro

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Preparación de disolución de Cr (II)

Un matraz de tres bocas de 1 L se equipó con una entrada y salida herméticas de gases para permitir el funcionamiento bajo un gas inerte y la transferencia posterior del producto deseado a un matraz de almacenamiento adecuado. El matraz se cargó con CrCl3.6H2O (40 g, 0,15 mol), gránulos de zinc [malla 20] (18,3 g, 0,28 mol), mercurio (13,55 g, 1 mL, 0,0676 mol) y 500 mL de agua destilada.

Tras purgar con N2 durante una hora, la mezcla se calentó hasta alrededor de 80 °C para iniciar la reacción. Tras dos horas de agitación bajo un flujo constante de N2, la mezcla se enfrió a temperatura ambiente y se agitó continuamente durante otras 48 horas, en cuyo momento la mezcla de reacción se había transformado en una disolución de color azul intenso. La disolución se transfirió a botellas de suero purgadas con N2, y se almacenó en un frigorífico para el uso futuro.

Bacterias: El Clostridium autoethanogenum usado es el depositado en el Centro de Recursos Alemán para Material Biológico (DSMZ) y asignado al número de acceso DSMZ 19630.

Toma de muestras y procedimientos analíticos

Se tomaron muestras del medio del reactor CSTR a intervalos a lo largo de periodos de hasta 20 días. Cada vez que se tomaron muestras del medio, se tuvo cuidado de asegurar que no se dejase entrar o escapar gas del reactor.

HPLC:

Sistema HPLC Agilent 1100 Series. Fase móvil: Ácido sulfúrico 0,0025 N. Flujo y presión: 0,800 mL/min. Columna: Alltech IOA; Nº de catálogo 9648; 150 x 6,5 mm, tamaño de partícula 5 µm. Temperatura de columna: 60°C. Detector: Índice refractivo. Temperatura del detector: 45°C.

Método para la preparación de la muestra:

400 µL de muestra y 50 µL de ZnSO4 0,15M y 50 µL de Ba(OH)2 0,15M se cargan en un tubo Eppendorf. Los tubos se centrifugan durante 10 min. a 12.000 rpm, 4°C. 200 µL del sobrenadante se transfieren en un vial de HPLC, y 5 µL se inyectan en el instrumento HPLC.

Análisis del espacio de aire:

Se llevaron a cabo medidas en un Varian CP-4900 micro GC con dos canales instalados. El canal 1 fue una columna de tamiz molecular 10m que funcionaba a 70 °C, 200 kPa de argón y un tiempo de retroﬂujo de 4,2 s, mientras el canal 2 fue una columna 10m PPQ que funcionaba a 90 °C, 150 kPa de helio y sin retroﬂujo. La temperatura del inyector para ambos canales fue 70 °C. Los tiempos de funcionamiento se ajustaron a 120 s, pero todos los picos de interés eluirían normalmente antes de 100 s.

Ejemplo 1: Fermentación de lotes en CSTR

Dos CSTRs de 2 L (A) y (B) se ajustaron en las condiciones siguientes: El medio se preparó como sigue: Se añadió un 85% de H3PO4 (30 mM) a 1,5 L de disolución A. El pH del medio se ajustó a 5,3 mediante la adición de NH4OH. La disolución de medio se esterilizó mediante autoclave durante 30 minutos a 121 °C, o mediante esterilización con filtro antes del uso. Se añadió resazurina como indicador redox. La disolución de medio se transfirió de manera aséptica y anaerobia a un recipiente CSTR de 1,5 L, y se hizo burbujear continuamente N2. Una vez transferido al recipiente de fermentación, se pudo medir el estado de reducción y el pH del medio transferido directamente por medio de sondas. El medio se calentó a 37 °C y se agitó a 300 rpm.

Se añadió una disolución de sulfuro sódico (3,75 mL de una disolución 0,2 M), seguido de una disolución B de oligoelementos metálicos (1.5 mL), Na2WO4 (1.5 mL de una disolución 0,01 M), y después Disolución C (15 mL). El ORP de la disolución se ajustó a aprox. -200 mV mediante el uso de una disolución de Cr(II).

El fermentador B se convirtió en un biorreactor electroquímico modificando el CSTR con dos electrodos de acero inoxidable. El cátodo se introdujo en el medio nutriente líquido mientras el ánodo se introdujo en un recipiente de semicelda separado del medio nutriente líquido por una membrana permeable a iones. El recipiente de la semicelda del ánodo contuvo una disolución de KCl 3 M. Se aplicó una corriente directa a través de los electrodos con un potencial de 10-15 V, de forma que la corriente se mantuvo a aproximadamente 7 mA a lo largo de la fermentación.

Antes de la inoculación, el gas se cambió a una mezcla del 2% de H2, 33% de N2, 44% de CO, 21% de CO2 y 100% de H2. Se inoculó un cultivo de Clostridium autoethanogenum que crecía activamente en el CSTR a un nivel de aproximadamente un 10% (v/v). Durante este experimento, se añadió una disolución de Na2S a una velocidad de aprox. 0,16 mMol/día. Los fermentadores se hicieron funcionar en condiciones sustancialmente similares, y el suministro de sustratos se incrementó en respuesta a las necesidades de cada cultivo microbiano para comparar el fermentador de control (A) con el biorreactor electroquímico (B).

Fermentador: Día Biomasa (g/L) Etanol (g/L) Absorción de CO total (mmol/L) Producción de CO2 total (mmol/L) Proporción CO2producido /COconsumido

A: 0,6 0,60* 1,0* 382 252 0,66

0,8: 0,78* 1,9* 604 398 0,66

1,0: 1,02 3,8 850 563 0,66

1,2: 1,28* 5,7* 1121 749 0,67

1,4: 1,59* 7,6* 1427 962 0,67

0,73: 1,90* 9,5* 1783 1209 0,68

1,8: 2,12 12,1 2205 1500 0,68

2,0: 2,40 14,9 2711 1848 0,68

B: 0,6 0,70* 1,0* 591 272 0,46

0,8: 0,82* 1,8* 753 366 0,49

1,0: 1,16 3,3 940 483 0,51

1,2: 1,51* 5,0* 1173 638 0,54

1,4: 1,80* 6,9* 1470 837 0,57

0,73: 2,18* 8,7* 1844 1090 0,59

1,8: 2,61 10,9 2308 1403 0,61

2,0: 3,00 13,7 2869 1778 0,62

*Extrapolado de una representación gráfica de los parámetros de fermentación

El CO2 producido en el biorreactor electroquímico (B) fue sustancialmente menor que el producido en (A) a lo largo de la fermentación. Esto indica que se usó menos CO para la producción de equivalentes reductores en (B) que en (A). Esto es inesperado, ya que el crecimiento microbiano y la producción de metabolitos son similares. Se considera

5 que los electrones disponibles en el biorreactor electroquímico (B) compensan la cantidad de equivalentes reductores necesarios para fijar una cierta cantidad de carbono en forma de masa de células microbianas y/o productos. Otro resultado sorprendente es que el crecimiento microbiano en el biorreactor electroquímico (B) supera al del fermentador (A) en aproximadamente un 20%, mientras la producción de etanol se redujo ligeramente.

Claims

imagen1