ES2646552T3 - Control de la conductividad en la fermentación anaerobia - Google Patents
Control de la conductividad en la fermentación anaerobia Download PDFInfo
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Abstract
Un proceso para la fermentación de un sustrato gaseoso que contiene CO que comprende: suministrar un sustrato gaseoso que contiene CO a un medio de fermentación y fermentar el sustrato gaseoso que contiene CO poniéndolo en contacto con una o más bacterias acetogénicas; controlar la conductividad del medio durante la fermentación mientras se proporciona un rendimiento de espaciotiempo (STY) de 10 g de etanol/(l.día) o superior, en el que el medio de fermentación tiene una conductividad de 30 mS/cm o inferior; y mantener una relación de la conductividad con respecto a la captación de carbono específica (SCU en mmoles/minuto/gramo de células secas) de acuerdo con una fórmula en la que SCU >= SCUmax - F*conductividad, en la que SCUmax es hasta 3 y F >= de 0,05 a 1.
Description
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DESCRIPCION
Control de la conductividad en la fermentacion anaerobia
Esta solicitud reivindica el beneficio de la solicitud de patente provisional en Estados Unidos n.° 61/833 189 que fue presentada el 10 de junio de 2013.
Se proporciona un proceso para el control de la conductividad durante la fermentacion de un sintegas y el mantenimiento de un STY de aproximadamente 10 g de etanol/(l.dfa) o superior. Mas espedficamente, los procesos para controlar la conductividad incluyen equilibrar la conductividad del medio, la captacion de carbono espedfica, o la densidad celular.
Antecedentes
Los microorganismos anaerobios pueden producir etanol a partir de CO mediante fermentacion de sustratos gaseosos. Las fermentaciones que emplean microorganismos anaerobios del genero Clostridium producen etanol y otros productos utiles. Por ejemplo, la patente de Estados Unidos n.° 5 173 429 describe el Clostridium ljungdahlii ATCC n.° 49587, un microorganismo acetogenico que produce etanol y acetato a partir de gas de smtesis. La patente de Estados Unidos n.° 5 807 722 describe un metodo y un aparato para convertir gases residuales en acidos organicos y alcoholes utilizando Clostridium ljungdahlii ATCC n.° 55380. La patente de Estados Unidos n.° 6 136 577 describe un metodo y un aparato para convertir gases residuales en etanol utilizando Clostridium ljungdahlii ATCC n.os 55988 y 55989.
Las bacterias acetogenicas requieren una alimentacion constante de nutrientes para una productividad de etanol y un rendimiento estable. Niveles de productividad mas elevados pueden requerir el uso de medios mas concentrados a fin de proporcionar cantidades eficaces de nutrientes. El uso de medios mas concentrados da como resultado un caldo de fermentacion con una fuerza ionica mas elevada. Una fuerza ionica mas elevada produce efectos perjudiciales sobre el rendimiento del cultivo.
El documento WO 2012/074543 divulga un proceso de produccion de un alcohol a partir de un sustrato gaseoso, que comprende la fermentacion de un sustrato gaseoso que comprende monoxido de carbono (CO) en un medio acuoso en un biorreactor; comprendiendo dicho proceso un aumento de la densidad celular ajustando la captacion de CO espedfica en dicho medio acuoso. El documento WO 2012/074545 divulga un proceso de produccion de un alcohol a partir de un sustrato gaseoso, que comprende la fermentacion de un sustrato gaseoso que comprende uno o mas de hidrogeno (H2) y CO en un medio acuoso en un biorreactor; comprendiendo dicho proceso un aumento de la densidad celular ajustando la captacion de hidrogeno. El documento WO 02/08438 divulga un metodo para producir etanol a partir de la fermentacion bacteriana anaerobia de un sustrato gaseoso, comprendiendo el metodo cultivar en un biorreactor de fermentacion bacterias anaerobias acetogenicas en un medio nutriente lfquido, y suministrar a dicho biorreactor dicho sustrato gaseoso que comprende al menos un gas reductor seleccionado entre el grupo que consiste en CO y H2; y manipular dichas bacterias en dicho biorreactor disminuyendo el potencial de oxidacion-reduccion, o aumentando la proporcion del NAD(P)H respecto al NAD(P), en el caldo de fermentacion una vez que dichas bacterias han conseguido una concentracion celular estable en dicho biorreactor, en el que dicha concentracion de acido acetico libre en dicho biorreactor es inferior a 5 g/l de acido libre, causando dichas etapas de cultivo y manipulacion que dichas bacterias en dicho biorreactor produzcan etanol en un caldo de fermentacion a una productividad superior a 10 g/l por dfa y en el que se producen tanto etanol como acetato en dicho caldo de fermentacion en una relacion de etanol a acetato que vana de 1:1 a 20:1.
Sumario
Se proporcionan procesos que son eficaces para controlar la conductividad del medio durante la fermentacion de un sustrato gaseoso que contiene CO al tiempo que se proporciona un STY de aproximadamente 10 g de etanol/(l.dfa) o superior. El proceso incluye equilibrar la conductividad del medio, la captacion de carbono espedfica, o los niveles de densidad celular.
Un proceso para la fermentacion de un sustrato gaseoso que contiene CO incluye proporcionar un sustrato gaseoso que contiene CO a un medio de fermentacion y fermentar el sustrato gaseoso que contiene CO poniendolo en contacto con una o mas bacterias acetogenicas; controlando la conductividad del medio durante la fermentacion mientras se proporciona un rendimiento de espacio-tiempo (STY) de 10 g de etanol/(l.dfa) o superior, en el que el medio tiene una conductividad de 30 mS/cm o inferior; y manteniendo una relacion entre la conductividad y la captacion de carbono espedfica (SCU en mmoles/minuto/gramo de celulas secas) de acuerdo con una formula en la que SCU = SCUmax -F*conductividad, en la que SCUmax = hasta 3 y F = de 0,05 a 1. El medio de fermentacion tiene una conductividad de aproximadamente 30 mS/cm o inferior y el proceso es eficaz para mantener un STY de aproximadamente 10 g de etanol/(l.dfa) o superior. Tambien se describe un proceso para fermentar un sustrato gaseoso que contiene CO que incluye proporcionar un sustrato gaseoso que contiene CO a un medio de fermentacion y fermentar el sintegas. El proceso incluye ademas mantener una conductividad (y) a una velocidad de alimentacion del gas espedfica (x) de acuerdo con la formula en la que y = -6,0327x + 12,901, hasta alcanzar una
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densidad celular deseada, en la que x es de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 0,7 mmoles/minuto/gramo de celulas. En otro aspecto, el proceso incluye mantener una densidad celular por encima de la densidad celular deseada y mantener una conductividad de aproximadamente 30 mS/cm o inferior. El proceso es eficaz para mantener un STY de aproximadamente 10 g de etanol/(l.dfa) o superior. Se describe tambien un proceso para la fermentacion de un sustrato gaseoso que contiene CO que incluye introducir el sustrato gaseoso que contiene CO en un vaso de reactor que incluye un medio de fermentacion y fermentar el sustrato gaseoso que contiene CO. En un aspecto del proceso, al menos uno o mas iones cloruro del medio de fermentacion estan sustituidos por un ion seleccionado entre el grupo que consiste en hidroxido, acetato, carbonato, bicarbonato y mezclas de los mismos en una cantidad eficaz para proporcionar una conductividad de aproximadamente 30 mS/cm o inferior. El proceso es eficaz para mantener un STY de aproximadamente 10 g de etanol/(l.dfa) o superior.
Breve descripcion de las figuras
El anterior y otros aspectos, caractensticas y ventajas de diversos aspectos del proceso seran mas evidentes a partir de las figuras siguientes.
en medio de cultivo x 1 y una velocidad de
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en medio de cultivo x 1 y una velocidad de
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La figura 2 ilustra el crecimiento de Clostridium ljungdahlii alimentacion de sintegas de 35 ml/min.
La figura 3 ilustra el crecimiento de Clostridium ljungdahlii alimentacion de sintegas de 40 ml/min.
La figura 4 ilustra el crecimiento de Clostridium ljungdahlii alimentacion de sintegas de 45 ml/min.
La figura 5 ilustra el crecimiento de Clostridium ljungdahlii alimentacion de sintegas de 50 ml/min.
La figura 6 ilustra el crecimiento de Clostridium ljungdahlii alimentacion de sintegas de 50 ml/min con un inoculo inicial mayor.
La figura 7 ilustra el crecimiento de Clostridium ljungdahlii en medio de cultivo x 1,5 y una velocidad de alimentacion de sintegas de 45 ml/min con un inoculo inicial mayor.
La figura 8 ilustra el crecimiento de Clostridium ljungdahlii en medio de cultivo x 1,5 y una velocidad de alimentacion de sintegas de 35 ml/min con un inoculo inicial mayor.
La figura 9 ilustra el crecimiento de Clostridium ljungdahlii en medio de cultivo x 1,5 y una velocidad de alimentacion de sintegas de 30 ml/min con un inoculo inicial mayor.
La figura 10 ilustra el crecimiento de Clostridium ljungdahlii en medio de cultivo x 1,5 y una velocidad de alimentacion de sintegas de 20 ml/min con un inoculo inicial mayor.
La figura 11 muestra la captacion de carbono espedfica de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio que contiene cloruro de amonio.
La figura 12 muestra la productividad de etanol espedfica de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio que contiene cloruro de amonio.
La figura 13 ilustra la captacion de carbono espedfica de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio que contiene 1-lisina.
La figura 14 ilustra la productividad de etanol espedfica de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio que contiene 1-lisina.
La figura 15 muestra la conductividad de Clostridiumljungdahlii creciendo en un medio que contiene 1-lisina.
La figura 16 muestra la captacion de carbono espedfica de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio que contiene acetato de amonio.
La figura 17 ilustra la productividad de etanol espedfica de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio que contiene acetato de amonio.
La figura 18 ilustra la conductividad de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio que contiene acetato de amonio.
La figura 19 muestra la captacion de carbono espedfica de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio que contiene carbonato de amonio.
La figura 20 muestra la productividad de etanol espedfica de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio que contiene carbonato de amonio.
La figura 21 ilustra la conductividad de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio que contiene carbonato de amonio.
La figura 22 ilustra la captacion de carbono espedfica de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio con carbonato de amonio como base.
La figura 23 muestra la productividad de etanol espedfica de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio con carbonato de amonio como base.
La figura 24 muestra la conductividad de Clostridiumljungdahlii creciendo en un medio con carbonato de amonio como base.
En la figura 25 se muestra la captacion de carbono espedfica de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio con bicarbonato de amonio.
En la figura 26 se muestra la productividad de etanol espedfica de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio con bicarbonato de amonio.
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En la figura 27 se muestra la conductividad de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio con bicarbonato de amonio.
La figura 28 ilustra los efectos de un aumento progresivo de la conductividad del medio sobre el rendimiento de Clostridium ljungdahlii.
La figura 29 ilustra los efectos de un aumento progresivo de la conductividad del medio sobre el rendimiento de Clostridium ljungdahlii.
La figura 30 muestra la relacion entre la velocidad de alimentacion de CO espedfica y la conductividad durante la fermentacion de Clostridium ljungdahlii.
La figura 31 muestra la relacion entre la captacion de carbono espedfica y la conductividad durante la fermentacion de Clostridium ljungdahlii.
Caracteres de referencia correspondientes indican componentes correspondientes a lo largo de todas las diversas vistas de las figuras. Los expertos en la materia apreciaran que los elementos en las figuras se ilustran con fines de simplicidad y claridad y no estan dibujados necesariamente a escala. Por ejemplo, las dimensiones de algunos de los elementos en las figuras se pueden exagerar en relacion con otros elementos para ayudar a mejorar la comprension de diversos aspectos del presente proceso y aparato. Ademas, los elementos comunes pero bien entendidos que son utiles o necesarios en aspectos comercialmente factibles no son representados frecuentemente con el fin de facilitar una vista menos obstruida de estos diversos aspectos.
Descripcion detallada
La siguiente descripcion no se ha de tomar en un sentido limitante, sino que se ha realizado simplemente con el fin de describir los principios generales de realizaciones ilustrativas. El alcance de la invencion se debe determinar con referencia a las reivindicaciones.
Las fermentaciones del sintegas efectuadas en biorreactores con un medio y bacterias acetogenicas tal como se describe en el presente documento son eficaces para proporcionar conversiones del CO del sintegas en alcoholes y otros productos. El control de la conductividad, la conductividad, y la densidad celular son eficaces para proporcionar altos niveles de productividad. En este aspecto, la productividad de alcohol se puede expresar como el STY (rendimiento de espacio-tiempo expresado en g de etanol/(l.dfa)). En este aspecto, el proceso es eficaz para proporcionar un STY (rendimiento de espacio-tiempo) de al menos aproximadamente 10 g de etanol/(l.dfa). Valores posibles de STY incluyen de aproximadamente 10 g de etanol/(l.dfa) a aproximadamente 200 g de etanol/(l.dfa), en otro aspecto de aproximadamente 10 g de etanol/(l.dfa) a aproximadamente 160 g de etanol/(l.dfa), en otro aspecto de aproximadamente 10 g de etanol/(l.dfa) a aproximadamente 120 g de etanol/(l.dfa), en otro aspecto de aproximadamente 10 g de etanol/(l.dfa) a aproximadamente 80 g de etanol/(l.dfa), en otro aspecto de
aproximadamente 20 g de etanol/(l.dfa) a aproximadamente 140 g de etanol/(l.dfa), en otro aspecto de
aproximadamente 20 g de etanol/(l.dfa) a aproximadamente 100 g de etanol/(l.dfa), en otro aspecto de
aproximadamente 40 g de etanol/(l.dfa) a aproximadamente 140 g de etanol/(l.dfa), y en otro aspecto de
aproximadamente 40 g de etanol/(l.dfa) a aproximadamente 100 g de etanol/(l.dfa).
Definiciones
A menos que se defina de otro modo, los siguientes terminos tal como se usan a lo largo de la presente memoria descriptiva de la presente divulgacion se definen como sigue a continuacion y pueden incluir tanto formas en singular como en plural de las definiciones dadas a continuacion:
El termino “aproximadamente” que modifica cualquier cantidad hace referencia a la variacion en la que esa cantidad se encuentra en las condiciones del mundo real, por ejemplo, en el laboratorio, planta piloto, o instalacion de produccion. Por ejemplo, una cantidad de un ingrediente o una medicion empleadas en una mezcla o cantidad, cuando es modificada por "aproximadamente", incluye la variacion y el grado de detalle habitualmente empleado en la medicion en condiciones experimentales en una planta de produccion o un laboratorio. Por ejemplo, la cantidad de un componente de un producto cuando esta modificada por el termino “aproximadamente” incluye la variacion entre lotes en experimentos multiples en la planta o laboratorio y la variacion inherente en el metodo analftico. Modificadas o no por el termino “aproximadamente”, las cantidades incluyen equivalentes a esas cantidades. Cualquier cantidad establecida en el presente documento y modificada por “aproximadamente” se puede emplear tambien en la presente divulgacion como la cantidad no modificada por “aproximadamente”.
"Conductividad" y "conductividad promedio" se refieren a la capacidad para conducir la electricidad. El agua conduce la electricidad ya que contiene solidos disueltos que portan cargas electricas. Por ejemplo, los iones cloruro, nitrato y sulfato portan cargas negativas, mientras que los iones sodio, magnesio y calcio portan cargas positivas. Estos solidos disueltos influyen en la capacidad del agua para conducir la electricidad. La conductividad se mide mediante una sonda, la cual aplica un potencial entre dos electrodos. La cafda de potencial se usa para medir la resistencia del agua, la cual se convierte despues en conductividad. La conductividad promedio se puede medir mediante tecnicas y metodos conocidos. Algunos ejemplos de mediciones de conductividad promedio se proporcionan en la norma ASTM D1125, "Metodos de prueba estandar para la conductividad y la resistividad electrica del agua", y en
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"Metodos estandar para el examen de agua y aguas residuales", 1999, Asociacion Americana de Salud Publica, Asociacion Americana de Obras de Agua, Federacion Ambiental del Agua. El termino "sintegas" o "gas de smtesis" hace referencia al gas de smtesis que es el nombre dado a una mezcla de gases que contiene cantidades variables de monoxido de carbono e hidrogeno. Ejemplos de metodos de produccion incluyen el reformado con vapor de gas natural o hidrocarburos para producir hidrogeno, la gasificacion de carbon y, en algunos tipos de instalaciones, la gasificacion con recuperacion de energfa. El nombre proviene de su uso como intermedios en la generacion de gas natural sintetico (SNG) y en la produccion de amoniaco o metanol. El sintegas es combustible y se usa a menudo como fuente de combustible o como intermedio para la produccion de otros productos qmmicos.
Los terminos "fermentacion", "proceso de fermentacion" o "reaccion de fermentacion" y similares pretenden abarcar tanto la fase de crecimiento como la fase de biosmtesis de productos del proceso. En un aspecto, la fermentacion hace referencia a la conversion de CO en alcohol.
El termino "densidad celular" se refiere a la masa de celulas de microorganismo por unidad de volumen de caldo de fermentacion, por ejemplo, gramos/litro. En este aspecto, el proceso y los medios son eficaces para proporcionar una densidad celular de al menos aproximadamente 1,0 g/l.
El termino "reciclaje celular" se refiere a la separacion de las celulas microbianas de un caldo de fermentacion y al retorno de todas o parte de estas celulas microbianas separadas de nuevo al fermentador. De modo general, se usa un dispositivo de filtracion para conseguir las separaciones.
El termino "fermentador", "vaso del reactor" o "biorreactor", incluye un dispositivo de fermentacion que consiste en uno o mas recipientes y/o torres o disposiciones de tubenas, que incluye el reactor continuo de tanque agitado (CSTR), el reactor de celulas inmovilizadas (ICR), el reactor de lecho percolador (TBR), el reactor de biopelroula de lecho movil (MBBR), la columna de burbujeo, el fermentador de agitacion por gas, un reactor de membrana tal como el biorreactor de membrana de fibra hueca (HFMBR), mezclador estatico, u otro recipiente u otro dispositivo adecuado para el contacto gas-lfquido.
Sustrato que contiene CO
Un sustrato que contiene CO puede incluir cualquier gas que incluya CO. En este aspecto, un gas que contiene CO puede incluir sintegas, gases industriales, y mezclas de los mismos.
El sintegas puede ser proporcionado a partir de cualquier fuente. En un aspecto, el sintegas se puede obtener de la gasificacion de materiales carbonosos. La gasificacion implica la combustion parcial de biomasa con un suministro restringido de oxfgeno. El gas resultante incluye principalmente CO y H2. En este aspecto, el sintegas contendra al menos aproximadamente un 10 % molar de CO, en un aspecto al menos aproximadamente un 20 % molar, en un aspecto de aproximadamente un 10 a aproximadamente un 100 % molar, en otro aspecto de aproximadamente un 20 a aproximadamente un 100 % molar de CO, en otro aspecto de aproximadamente un 30 a aproximadamente un 90 % molar, en otro aspecto de aproximadamente un 40 a aproximadamente un 80 % molar de CO, y en otro aspecto de aproximadamente un 50 a aproximadamente un 70 % molar de CO. Algunos ejemplos de metodos y aparatos de gasificacion adecuados se proporcionan en las solicitudes de patente de Estados Unidos con n.os de serie 61/516 667, 61/516 704 y 61/516 646, todas ellas presentadas el 6 de abril de 2011, y en las solicitudes de patente de Estados Unidos con n.os de serie 13/427 144, 13/427 193 y 13/427 247, todas ellas presentadas el 22 de marzo de 2012. En otro aspecto, el proceso tiene aplicabilidad para soportar la produccion de alcohol a partir de sustratos gaseosos tales como gases de combustion industriales de elevado volumen que contienen CO. En algunos aspectos, un gas que incluye CO procede de residuos que contienen carbono, por ejemplo gases residuales industriales, o de la gasificacion de otros residuos. Como tales, los procesos representan procesos eficaces para capturar carbono que de otro modo hubiera sido expulsado al ambiente. Ejemplos de gases de combustion industriales incluyen gases producidos durante la fabricacion de productos metalicos ferricos, la fabricacion de productos no ferricos, procesos de refino del petroleo, la gasificacion de carbon, la gasificacion de biomasa, la produccion de energfa electrica, la produccion de negro de carbon, la produccion de amoniaco, la produccion de metanol y la fabricacion de coque.
Dependiendo de la composicion del sustrato que contiene CO, el sustrato que contiene CO se puede suministrar directamente a un proceso de fermentacion o se puede modificar adicionalmente para incluir una relacion molar de H2 respecto al CO adecuada. En un aspecto, el sustrato que contiene CO suministrado al fermentador tiene una relacion molar de H2 respecto al CO de aproximadamente 0,2 o superior, en otro aspecto de aproximadamente 0,25 o superior y, en otro aspecto, de aproximadamente 0,5 o superior. En un aspecto, el sustrato que contiene CO suministrado al fermentador puede incluir aproximadamente un 40 por ciento molar o superior de CO mas H2 y aproximadamente un 30 por ciento molar o inferior de CO, en otro aspecto, aproximadamente un 50 por ciento molar o superior de CO mas H2 y aproximadamente un 35 por ciento molar o inferior de CO, y en otro aspecto aproximadamente un 80 por ciento molar o superior de CO mas H2 y aproximadamente un 20 por ciento molar o inferior de CO.
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En un aspecto, el sustrato que contiene CO incluye principalmente CO y H2. En este aspecto, el sustrato que contiene CO contendra al menos aproximadamente un 10% molar de CO, en un aspecto al menos aproximadamente un 20% molar, en un aspecto de aproximadamente un 10 a aproximadamente un 100% molar, en otro aspecto de aproximadamente un 20 a aproximadamente un 100% molar de CO, en otro aspecto de aproximadamente un 30 a aproximadamente un 90 % molar de CO, en otro aspecto de aproximadamente un 40 a aproximadamente un 80 % molar de CO, y en otro aspecto de aproximadamente un 50 a aproximadamente un 70 % molar de CO. El sustrato que contiene CO tendra una relacion CO/CO2 de al menos aproximadamente 0,75, en otro aspecto, de al menos aproximadamente 1,0 y, en otro aspecto, de al menos aproximadamente 1,5.
En un aspecto, se configura un separador de gases para separar sustancialmente al menos una porcion de la corriente de gas, en el que la porcion incluye uno o mas componentes. Por ejemplo, el separador de gas puede separar CO2 de una corriente de gas que comprende los siguientes componentes: CO, CO2, H2, en el que el CO2 se puede hacer pasar a traves de un eliminador de CO2 y el resto de la corriente de gas (que comprende CO y H2) se puede hacer pasar a un biorreactor. Se puede usar cualquier separador de gases conocido en la tecnica. En este aspecto, el sintegas suministrado al fermentador tendra aproximadamente un 10 % molar o inferior de CO2, en otro aspecto aproximadamente un 1 % molar o inferior de CO2, y en otro aspecto aproximadamente un 0,1 % molar o inferior de CO2.
Determinadas corrientes de gas pueden incluir una alta concentracion de CO y bajas concentraciones de H2. En un aspecto, puede ser deseable optimizar la composicion de la corriente de sustrato a fin de conseguir una mayor eficacia de la produccion del alcohol y/o de la captura de carbono global. Por ejemplo, la concentracion de H2 en la corriente de sustrato se puede incrementar antes de hacer pasar la corriente al biorreactor.
De acuerdo con aspectos particulares de la invencion, se pueden combinar y/o mezclar corrientes de dos o mas fuentes para producir una corriente de sustrato deseable y/u optimizada. Por ejemplo, una corriente que comprende una alta concentracion de CO, tal como el gas procedente de un convertidor de una acena, se puede combinar con una corriente que comprende altas concentraciones de H2, tal como el gas de escape procedente de un horno de coque de una acena.
Dependiendo de la composicion del sustrato gaseoso que contiene CO, puede ser deseable tambien tratar este a fin de eliminar cualquier impureza indeseada, tal como partfculas de polvo, antes de introducirlo en la fermentacion. Por ejemplo, el sustrato gaseoso se puede filtrar o limpiar usando metodos conocidos.
Diseno del biorreactor y operacion
Descripciones de los disenos del fermentador se describen en las solicitudes de patente de Estados Unidos con n.os de serie 13/471 827 y 13/471 858, presentadas ambas el 15 de mayo de 2012, y la solicitud de patente de Estados Unidos con n.° de serie 13/473 167, presentada el 16 de mayo de 2012. De acuerdo con un aspecto, el proceso de fermentacion se inicia mediante la adicion de medio al vaso del reactor. Algunos ejemplos de composiciones de medio se describen en las solicitudes de patente de Estados Unidos con n.os de serie 61/650 098 y 61/650 093, presentadas el 22 de mayo de 2012, y en la patente de Estados Unidos n.° 7 285 402, presentada el 23 de julio de 2001. El medio se puede esterilizar para eliminar microorganismos indeseables y el reactor se inocula con los microorganismos deseados. La esterilizacion no siempre es necesaria.
En un aspecto, los microorganismos usados incluyen bacterias acetogenicas. Ejemplos de bacterias acetogenicas utiles incluyen las del genero Clostridium, tales como cepas de Clostridium ljungdahlii, incluyendo las descritas en los documentos WO 2000/68407 y EP 117309, las patentes de Estados Unidos n.os 5 173 429, 5 593 886 y 6 368 819, y los documentos WO 1998/00558 y WO 2002/08438, cepas de Clostridium autoethanogenum (DsM 10061 y dSm 19630 de DSMZ, Alemania) incluyendo las descritas en los documentos WO 2007/117157 y WO 2009/151342 y Clostridium ragsdalei (P11, ATCC BAA-622) y Alkalibaculum bacchi (CP11, ATCC BAA-1772) incluyendo las descritas respectivamente en la patente de Estados Unidos n.° 7 704 723 y en "Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas", Hasan Atiyeh, presentado en la Conferencia estatal anual EpScoR de Oklahoma, el 29 de abril de 2010, y Clostridium carboxidivorans (ATCC PTA-7827) descrita en la solicitud de patente en Estados Unidos n.° 2007/0276447. Otros microorganismos adecuados incluyen los del genero Moorella, incluyendo Moorella sp. HUC22-1, y los del genero Carboxydothernaus. Se pueden emplear cultivos mezclados de dos o mas microorganismos.
Algunos ejemplos de bacterias utiles incluyen Acetogenium kivui, Acetoanaerobium noteroae, Acetobacterium woodii, Alkalibaculum bacchi CP11 (ATCC BAA-1772), Blautia producta, Butyribacterium methylotrophicum, Caldanaerobacter subterraneous, Caldaranaerobacter subterraneous pacificus, Carboxydothermus hydrogenoformans, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium acetobutylicum P262 (DSM 19630 de DSMZ Alemania), Clostridium autoethanogenum (DsM 19630 de DSMZ Alemania), Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 de DSMZ Alemania), Clostridium autoethanogenum (DSM 23693 de DSMZ Alemania), Clostridium autoethanogenum (DSM 24138 de DSMZ Alemania), Clostriditiun carboxidivoraras P7 (ATCC PTA-7827), Clostridium coskatii (ATCC PTA-10522), Clostridium drakei, Clostridium ljungdahlii PETC (ATCC 49587), Clostridium ljungdahlii ERI2 (ATCC 55380), Clostridium ljungdahlii C-01 (ATCC 55988), Clostridium ljungdahlii O-52
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(ATCC 55889), Clostridium magnum, Clostridium pasteurianum (DSM 525 de DSMZ Alemania), Clostridium ragsdali P11 (ATCC BAA-622), Clostridium scatologenes, Clostridium thermoaceticum, Clostridium ultunense, Desulfotomaculum kuznetsovii, Eubacterium limosun, Geobacter sulfurreducens, Methanosarcina acetivorans, Methanosarcina barkeri, Morrella thermoacetica, Morrella thermoautotrophica, Oxobacter pfennigii, Peptostreptococcus productus, Ruminococcus productus, Thermoanaerobacter kivui, y mezclas de las mismas.
La fermentacion se debe llevar a cabo adecuadamente en las condiciones apropiadas para que se produzca la fermentacion deseada (por ejemplo, de CO a etanol). Las condiciones de reaccion que se han de tener en cuenta incluyen, presion, temperature, caudal del gas, caudal del lfquido, pH del medio, potencial de oxidacion-reduccion del medio, velocidad de agitacion (si se usa un reactor continuo de tanque agitado), nivel de inoculo, concentraciones maximas de sustrato gaseoso para asegurar que el CO en la fase lfquida no llega a ser limitante y concentraciones maximas de producto para evitar la inhibicion por el producto.
Los metodos de la invencion y tal como se divulgan se pueden usar para mantener la viabilidad de un cultivo microbiano, en los que el cultivo microbiano esta limitado en CO de modo que la velocidad de transferencia de CO a la solucion sea menor que la velocidad de captacion del cultivo. Tales situaciones se producen cuando un sustrato que comprende CO no se suministra de forma continua al cultivo microbiano; la velocidad de transferencia de masa es baja; o hay insuficiente CO en una corriente de sustrato para mantener la vitalidad del cultivo a una temperatura optima. En tales realizaciones, el cultivo microbiano agotara rapidamente el CO disuelto en el medio nutriente lfquido y llegara a estar limitado por el sustrato ya que no se puede suministrar sustrato adicional con suficiente rapidez.
Puesta en marcha: Tras la inoculacion, se establece una velocidad de suministro de gas de alimentacion inicial que es eficaz para suministrar a la poblacion inicial de microorganismos. El gas efluente se analiza para determinar el contenido del gas efluente. Los resultados del analisis del gas se usan para controlar las velocidades del gas de alimentacion. En este aspecto, el proceso puede proporcionar una concentracion de CO calculada con respecto a la relacion de densidad celular inicial de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 0,9, en otro aspecto de aproximadamente 0,6 a aproximadamente 0,8, en otro aspecto de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 0,7, y en otro aspecto de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 0,6.
En otro aspecto, un proceso de fermentacion incluye proporcionar un sintegas a un medio de fermentacion en una cantidad eficaz para proporcionar una concentracion de CO inicial calculada en el medio de fermentacion de aproximadamente 0,15 mM a aproximadamente 0,70 mM, en otro aspecto de aproximadamente 0,15 mM a aproximadamente 0,50 mM, en otro aspecto de aproximadamente 0,15 mM a aproximadamente 0,35 mM, en otro aspecto de aproximadamente 0,20 mM a aproximadamente 0,30 mM, y en otro aspecto de aproximadamente 0,23 mM a aproximadamente 0,27 mM. El proceso es eficaz para aumentar la densidad celular en comparacion con una densidad celular de partida.
En un aspecto, un proceso para fermentar un sustrato gaseoso que contiene CO incluye suministrar un sustrato gaseoso que contiene CO a un medio de fermentacion y mantener una conductividad con respecto a una captacion de carbono espedfica (SCU en mmoles/minuto/gramo de celulas secas) de acuerdo con una formula en la que SCU = SCUmax - F*conductividad, en la que SCUmax = de 0 a 3 y F = de 0 a 1. La figura 31 ilustra graficamente esta ecuacion. En este aspecto, el medio de fermentacion tiene una conductividad de aproximadamente 30 mS/cm o inferior, y en otros aspectos puede tener la conductividad tal como se describe en el presente documento. En otro aspecto, F (que es la pendiente de la recta) puede ser de 0 a 1, en otro aspecto de 0,05 a 1, en otro aspecto de 0,1 a 1, en otro aspecto de 0,2 a 1, en otro aspecto de 0,3 a 1, en otro aspecto de 0,4 a 1, y en otro aspecto de 0,5 a 1.
En un aspecto, el proceso incluye mantener una conductividad (y) a una velocidad de alimentacion del gas (x) espedfica de acuerdo con la formula y = -10,109x + 14,2, hasta alcanzar una densidad celular deseada. La figura 30 ilustra graficamente esta ecuacion. En este aspecto, el medio de fermentacion tiene una conductividad de aproximadamente 30 mS/cm o inferior, y en otros aspectos puede tener la conductividad tal como se describe en el presente documento. En este aspecto, x es de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 0,7 mmoles/minuto/gramo de celulas. En otro aspecto, x es de aproximadamente 0,3 a aproximadamente 0,6 mmoles/minuto/gramo de celulas, y en otro aspecto x es de aproximadamente 0,4 a aproximadamente 0,5 mmoles/minuto/gramo de celulas.
En otro aspecto, el proceso es eficaz para proporcionar una densidad celular deseada de aproximadamente 3 a aproximadamente 30 g/l, en otro aspecto de aproximadamente 4 a aproximadamente 25 g/l, en otro aspecto de aproximadamente 5 a aproximadamente 25 g/l, en otro aspecto de aproximadamente 7 a aproximadamente 25 g/l, en otro aspecto de aproximadamente 10 a aproximadamente 25 g/l, en otro aspecto de aproximadamente 12 a aproximadamente 20 g/l, y en otro aspecto de aproximadamente 15 a aproximadamente 20 g/l.
Tras la puesta en marcha: Tras alcanzar los niveles deseados, la fase lfquida y el material celular se retiran del reactor y se reabastecen de medio. El proceso es eficaz para aumentar la densidad celular a aproximadamente 2,0 gramos/litro o superior, en otro aspecto de aproximadamente 2 a aproximadamente 30 gramos/litro, en otro aspecto de aproximadamente 2 a aproximadamente 25 gramos/litro, en otro aspecto de aproximadamente 2 a aproximadamente 20 gramos/litro, en otro aspecto de aproximadamente 2 a aproximadamente 10 gramos/litro, en
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otro aspecto de aproximadamente 2 a aproximadamente 8 gramos/litro, en otro aspecto de aproximadamente 3 a aproximadamente 30 gramos/litro, en otro aspecto de aproximadamente 3 a aproximadamente 6 gramos/litro, en otro aspecto de aproximadamente 4 a aproximadamente 5 gramos/litro.
Tras alcanzar la densidad celular deseada, el proceso es eficaz para mantener una densidad celular. La densidad celular se puede mantener a lo largo de todo el reciclaje celular. El proceso puede usar el reciclaje celular para aumentar o disminuir la concentracion celular dentro del reactor. En este aspecto, el efluente lfquido del reactor se envfa a un separador celular en el que las celulas son permeadas y separadas. Las celulas se pueden retornar de
nuevo al reactor. La densidad celular se puede controlar mediante un filtro de reciclaje. Algunos ejemplos de
biorreactores y de reciclaje celular se describen en las solicitudes de patente de Estados Unidos con n.os de serie 61/571 654 y 6l/571 565 presentadas el 30 de junio de 2011, la solicitud de patente de Estados Unidos con n.° de serie 61/573 845, presentada el 13 de septiembre de 2011, las solicitudes de patente de Estados Unidos con n.os de serie 13/471 827 y 13/471 858, presentadas el 15 de mayo de 2012, y la solicitud de patente de Estados Unidos con n.° de serie 13/473 167, presentada el 16 de mayo de 2012. En un aspecto, el proceso es eficaz para mantener una conversion de H2 de aproximadamente un 25 % o superior. En otro aspecto, el proceso es eficaz para mantener una conversion de H2 en de aproximadamente un 25 % a aproximadamente un 95 %, en otro aspecto de aproximadamente un 30 % a aproximadamente un 90 %, en otro aspecto de aproximadamente un 35 % a
aproximadamente un 85 %, en otro aspecto de aproximadamente un 40 % a aproximadamente un 80 %, en otro
aspecto de aproximadamente un 40 % a aproximadamente un 70 %, en otro aspecto de aproximadamente un 40 % a aproximadamente un 60 %, y en otro aspecto de aproximadamente un 40 % a aproximadamente un 50 %.
En otro aspecto, el proceso es eficaz para mantener una captacion de CO en un intervalo de aproximadamente 0,001 a aproximadamente 10 mmoles/minuto/gramo de celulas secas. En otro aspecto, el proceso es eficaz para mantener una captacion de CO en un intervalo de aproximadamente 0,001 a aproximadamente 5 mmoles/minuto/gramo de celulas secas, en otro aspecto de aproximadamente 0,001 a aproximadamente 4
mmoles/minuto/gramo de celulas secas, en otro aspecto de aproximadamente 0,001 a aproximadamente 3
mmoles/minuto/gramo de celulas secas, en otro aspecto de aproximadamente 0,001 a aproximadamente 2
mmoles/minuto/gramo de celulas secas, en otro aspecto de aproximadamente 0,001 a aproximadamente 1
mmoles/minuto/gramo de celulas secas, en otro aspecto de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 9
mmoles/minuto/gramo de celulas secas, en otro aspecto de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 5
mmoles/minuto/gramo de celulas secas, en otro aspecto de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 4
mmoles/minuto/gramo de celulas secas, en otro aspecto de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 3
mmoles/minuto/gramo de celulas secas, en otro aspecto de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 2
mmoles/minuto/gramo de celulas secas, en otro aspecto de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 1
mmoles/minuto/gramo de celulas secas, en otro aspecto de aproximadamente 1 a aproximadamente 8
mmoles/minuto/gramo de celulas secas, en otro aspecto de aproximadamente 1 a aproximadamente 5
mmoles/minuto/gramo de celulas secas, en otro aspecto de aproximadamente 1 a aproximadamente 4
mmoles/minuto/gramo de celulas secas, en otro aspecto de aproximadamente 1 a aproximadamente 3
mmoles/minuto/gramo de celulas secas, y en otro aspecto de aproximadamente 1 a aproximadamente 2 mmoles/minuto/gramo de celulas secas.
En otro aspecto, el proceso es eficaz para proporcionar una conversion de CO de aproximadamente un 5 a aproximadamente un 99%. En otro aspecto, la conversion de CO en de aproximadamente un 10 a aproximadamente un 90 %, en otro aspecto de aproximadamente un 20 a aproximadamente un 80 %, en otro aspecto de aproximadamente un 30 a aproximadamente un 70 %, en otro aspecto de aproximadamente un 40 a aproximadamente un 60 %, en otro aspecto de aproximadamente un 50 a aproximadamente un 95 %, en otro aspecto de aproximadamente un 60 a aproximadamente un 95 %, en otro aspecto de aproximadamente un 70 a aproximadamente un 95 %, y en otro aspecto de aproximadamente un 80 a aproximadamente un 95 %.
Control de la conductividad del medio
El uso de medios formulados para tener una menor conductividad y/o el ajuste de la conductividad del medio mediante dilucion son eficaces para controlar la conductividad del medio. En un aspecto, el proceso es eficaz para proporcionar una conductividad promedio de aproximadamente 30 mS/cm o inferior, en otro aspecto de aproximadamente 25 mS/cm o inferior, en otro aspecto de aproximadamente 20 mS/cm o inferior, en otro aspecto de aproximadamente 16 mS/cm o inferior, en otro aspecto de aproximadamente 12 mS/cm o inferior, en otro aspecto de aproximadamente 8 mS/cm o inferior, en otro aspecto de aproximadamente 6,5 mS/cm o inferior, en otro aspecto de aproximadamente 6,0 mS/cm o inferior, en otro aspecto de aproximadamente 5,5 mS/cm o inferior, en otro aspecto de aproximadamente 5,0 mS/cm o inferior, en otro aspecto de aproximadamente 4,7 mS/cm o inferior, en otro aspecto de aproximadamente 4,5 mS/cm o inferior, en otro aspecto de aproximadamente 4,0 mS/cm a aproximadamente 6,5 mS/cm, en otro aspecto de aproximadamente 5,0 mS/cm a aproximadamente 6,0 mS/cm, y en otro aspecto de aproximadamente 4,0 mS/cm a aproximadamente 5,0 mS/cm.
De acuerdo con un aspecto, el proceso de fermentacion se inicia mediante la adicion de un medio adecuado al vaso del reactor. El lfquido contenido en el vaso del reactor puede incluir cualquier tipo de medio nutriente o medio de fermentacion adecuado. El medio nutriente incluira vitaminas y minerales eficaces para permitir el crecimiento del
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microorganismo que se este usando. Es conocido un medio anaerobio adecuado para la fermentacion de etanol que usa CO como fuente de carbono. Un ejemplo de un medio de fermentacion adecuado se describe en la patente de Estados Unidos n.° 7 285 402. Otros ejemplos de medios adecuados se describen en las solicitudes de patente de Estados Unidos con n.os de serie 61/650 098 y 61/650 093 presentadas ambas el 22 de mayo de 2012. En un aspecto, el medio usado incluye menos de aproximadamente 0,01 g/l de extracto de levadura y menos de aproximadamente 0,01 g/l de carbohidratos.
Sustitucion de iones cloruro: En un aspecto, el proceso proporciona medios que tienen una conductividad promedio inferior a aproximadamente 30 mS/cm mediante la sustitucion de iones cloruro en el medio por iones distintos a cloruro. Mas espedficamente, se puede sustituir el cloruro de amonio por una fuente de nitrogeno seleccionada entre el grupo que consiste en hidroxido de amonio, acetato de amonio, carbonato de amonio, bicarbonato de amonio y mezclas de los mismos.
En un aspecto, el medio incluye al menos una o mas fuentes de nitrogeno, al menos una o mas fuentes de fosforo y al menos una o mas fuentes de potasio. El medio puede incluir una cualquiera de las tres, cualquier combinacion de las tres y, en un aspecto importante, incluye las tres. Una fuente de fosforo puede incluir una fuente de fosforo seleccionada entre el grupo que consiste en acido fosforico, fosfato de amonio, fosfato de potasio, y mezclas de los mismos. Una fuente de potasio puede incluir una fuente de potasio seleccionada entre el grupo que consiste en cloruro de potasio, fosfato de potasio, nitrato de potasio, sulfato de potasio, y mezclas de los mismos.
En un aspecto, el medio incluye uno o mas de los siguientes: hierro, tungsteno, mquel, cobalto, magnesio, azufre y tiamina. El medio puede incluir uno cualquiera de estos componentes, cualquier combinacion y, en un aspecto importante, incluye todos estos componentes. Una fuente de hierro puede incluir una fuente de hierro seleccionada entre el grupo que consiste en cloruro ferroso, sulfato ferroso, y mezclas de los mismos. Una fuente de tungsteno puede incluir una fuente de tungsteno seleccionada entre el grupo que consiste en tungstenato de sodio, tungstenato de calcio, tungstenato de potasio, y mezclas de los mismos. Una fuente de mquel puede incluir una fuente de mquel seleccionada entre el grupo que consiste en cloruro de mquel, sulfato de mquel, nitrato de mquel, y mezclas de los mismos. Una fuente de cobalto puede incluir una fuente de cobalto seleccionada entre el grupo que consiste en cloruro de cobalto, fluoruro de cobalto, bromuro de cobalto, yoduro de cobalto y mezclas de los mismos. Una fuente de magnesio puede incluir una fuente de magnesio seleccionada entre el grupo que consiste en cloruro de magnesio, sulfato de magnesio, fosfato de magnesio y mezclas de los mismos. Una fuente de azufre puede incluir cistema, sulfuro de sodio y mezclas de los mismos.
Las concentraciones de los diversos componentes son las siguientes:
- Componente
- Intervalo de concentracion (expresado como mg o |jg de nutriente por gramo de celulas) Intervalo preferido (expresado como mg o jg de nutriente por gramo de celulas)
- nitrogeno (N)
- 100 - 340 mg 190 - 210 mg
- fosforo (P)
- 10,5 -15 mg 12 -13 mg
- potasio (K)
- 26 - 36 mg 28 - 33 mg
- hierro (Fe)
- 2,7 - 5 mg 3,0 -4,0 mg
- tungsteno (W)
- 10 - 30 jg 15-25 jg
- mquel (Ni)
- 34 - 40 jg 35 - 37 jg
- cobalto (Co)
- 9 - 30 jg 15-20 jg
- magnesio (Mg)
- 4,5 -10 mg 5 - 7 mg
- azufre (S)
- 11-20 mg 12 -16 mg
- tiamina
- 6,5 - 20 jg 7-12jg
La operacion del proceso mantiene el pH en un intervalo de aproximadamente 4,2 a aproximadamente 4,8. El medio usado incluye menos de aproximadamente 0,01 g/l de extracto de levadura y menos de aproximadamente 0,01 g/l de carbohidratos.
En otro aspecto, el proceso controla la conductividad del medio mediante la dilucion del medio. En este aspecto, una vez que la fermentacion alcanza una conductividad de aproximadamente 30 mS/cm, el proceso incluye la adicion de agua o de un medio de baja conductividad a la fermentacion en una cantidad eficaz para disminuir la conductividad del medio.
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Ejemplos
Ejemplo 1: Efecto de la conductividad sobre el cultivo
Se cultivo Clostridium ljungdahlii en un biorreactor (New Brunswick BioFlo I o IIc). Se efectuaron los siguientes ajustes:
Se ajusto la conductividad del cultivo ajustando la fuerza del medio de cultivo, por ejemplo la concentracion de todos los componentes, excepto la vitamina, en el medio de cultivo en 1,5 veces a fin de incrementar la conductividad del cultivo de aproximadamente 7 mS a aproximadamente 9,5 mS.
Todos los experimentos se iniciaron con la densidad celular inicial de 0,38 (+/-0,02) o 0,48 g/l.
El caudal de gas inicial de cada experimento se mantuvo invariable a lo largo del experimento. Se usaron los parametros del reactor, cuando los valores de conversion de CO alcanzan un nivel estable tras una puesta en marcha con exito, a fin de calcular el K_a para condiciones relevantes.
La composicion del sintegas era de un 30 % de CO, un 15 % de H2, un 10 % de CO2 y un 45 % de N2.
Operacion # 1 del biorreactor: se uso en este experimento medio de cultivo x 1 y una velocidad de alimentacion del sintegas de 25 ml/min. Tras un periodo de desfase inicial de aproximadamente 20 horas las bacterias comenzaron a multiplicarse en un tiempo de duplicacion de aproximadamente 20 horas. El CO disuelto maximo calculado era de aproximadamente 0,22 mmol en el caldo del reactor.
Operacion # 2 del biorreactor: Se uso en este experimento medio de cultivo x 1 y una velocidad de alimentacion del sintegas de 35 ml/min. Tal como se muestra en la figura 2, tras un periodo de desfase inicial de aproximadamente 36 horas las bacterias comenzaron a multiplicarse en un tiempo de duplicacion de aproximadamente 20 horas. El CO disuelto maximo calculado era de aproximadamente 0,22 mmol en el caldo del reactor.
(D CO: concentracion de CO disuelto en el caldo del reactor, CD: densidad celular, SCU: captacion de CO espedfica)
Operacion # 3 del biorreactor: Se uso en este experimento medio de cultivo x 1 y una velocidad de alimentacion del sintegas de 40 ml/min. Tal como se muestra en la figura 3, tras un periodo de desfase inicial de aproximadamente 45 horas las bacterias comenzaron a multiplicarse en un tiempo de duplicacion de aproximadamente 20 horas.
El CO disuelto maximo calculado era de aproximadamente 0,22 mmol en el caldo del reactor.
Operacion # 4 del biorreactor: Se uso en este experimento medio de cultivo x 1 y una velocidad de alimentacion del sintegas de 45 ml/min. Tal como se muestra en la figura 4, tras un periodo de desfase inicial de aproximadamente 50 horas las bacterias comenzaron a multiplicarse en un tiempo de duplicacion de aproximadamente 20 horas. El CO disuelto maximo calculado era de aproximadamente 0,17 mmol en el caldo del reactor.
Operacion # 5 del biorreactor: Se uso en este experimento medio de cultivo x 1 y una velocidad de alimentacion del sintegas de 50 ml/min. Tal como se muestra en la figura 5, el cultivo continuo en desfase incluso a aproximadamente 70 horas despues de la inoculacion. El CO disuelto maximo calculado era de aproximadamente 0,23 mmol en el caldo del reactor.
Operacion # 6 del biorreactor: Se uso en este experimento medio de cultivo x 1 y una velocidad de alimentacion del sintegas de 50 ml/min. El experimento se inicio con un inoculo de 4,8 g/l de bacterias. Tal como se muestra en la figura 6, tras un periodo de desfase inicial de aproximadamente 10 horas las bacterias comenzaron a multiplicarse en un tiempo de duplicacion de aproximadamente 20 horas. El CO disuelto maximo calculado era de aproximadamente 0,12 mmol en el caldo del reactor.
Operacion # 7 del biorreactor: Se uso en este experimento medio de cultivo x 1,5 y una velocidad de alimentacion del sintegas de 45 ml/min. El experimento se inicio con un inoculo de 3,8 g/l de bacterias. Tal como se muestra en la figura 7, la densidad celular de las bacterias disminrna con el tiempo. El CO disuelto maximo calculado era de aproximadamente 0,25 mmol en el caldo del reactor.
Operacion # 8 del biorreactor: se uso en este experimento medio de cultivo x 1,5 y una velocidad de alimentacion del sintegas de 35 ml/min. El experimento se inicio con un inoculo de 3,8 g/l de bacterias. Tal como se muestra en la figura 8, la densidad celular de las bacterias disminrna con el tiempo. El CO disuelto maximo calculado era de aproximadamente 0,22 mmol en el caldo del reactor.
Operacion # 9 del biorreactor: se uso en este experimento medio de cultivo x 1,5 y una velocidad de alimentacion del sintegas de 30 ml/min. El experimento se inicio con un inoculo de 3,8 g/l de bacterias. Tal como se muestra en la figura 9, la densidad celular de las bacterias disminrna con el tiempo. El CO disuelto maximo calculado era de aproximadamente 0,22 mmol en el caldo del reactor.
Operacion # 10 del biorreactor: se uso en este experimento medio de cultivo x 1,5 y una velocidad de alimentacion del sintegas de 20 ml/min. El experimento se inicio con un inoculo de 3,8 g/l de bacterias. Tal como se muestra en la figura 10, la densidad celular de las bacterias aumentaba con el tiempo y consegrna un tiempo de duplicacion de aproximadamente 20 horas. El CO disuelto maximo calculado era de aproximadamente 0,22 mmol en el caldo del reactor.
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Ejemplo 2: Cultivo en fuentes de nitrogeno alternativas
Se cultivo Clostridium ljungdahlii C-01 en un biorreactor (BioFlo/CelliGen 115) con el medio siguiente:
- Producto qmmico
- Lfmite
- FeCl2*4H2O (g)
- 0,24
- H3PO4 (ml)
- 0,86
- KCl (g)
- 3,00
- MgCl2*6H2O (g)
- 0,48
- NH4Cl (g)
- 19,44
- Cistema HCl (g)
- 4,50
- 6 x Med A2 (ml)
- 15,0
- 6 x TE (ml)
- 4,6
- Agua (l)
- hasta 10
Para cada experimento, se excluyo el NH4Cl del medio y se sustituyo por equivalentes molares de uno de los compuestos que contienen nitrogeno que se describen a continuacion.
- Producto qmmico
- Lfmite (g)
- 1-lisina
- 26,57
- Acetato de amonio NH4C2H3O2
- 28,01
- Carbonato de amonio (NH4)2CO3
- 17,46
- Bicarbonato de amonio (NH4)HCO3
- 28,73
El pH de estos medios se ajusto hasta ~ 4,0 - 4,4. Se ensayo tambien carbonato de amonio como solucion de base usando concentraciones de 0,25 M (24,02 g/l) y de 0,125 M (12,01 g/l) como sustituto del 7,7 % de NaHCO3.
En la figura 11 se muestra la captacion de carbono espedfica de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio que contiene cloruro de amonio.
En la figura 12 se muestra la productividad de etanol espedfica de Clostridiumljungdahlii creciendo en un medio que contiene cloruro de amonio.
En la figura 13 se muestra la captacion de carbono espedfica de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio que contiene 1-lisina.
En la figura 14 se muestra la productividad de etanol espedfica de Clostridiumljungdahlii creciendo en un medio que contiene 1-lisina.
En la figura 15 se muestra la conductividad de Clostridiumljungdahlii creciendo en un medio que contiene 1-lisina.
En la figura 16 se muestra la captacion de carbono espedfica de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio que contiene acetato de amonio.
En la figura 17 se muestra la productividad de etanol espedfica de Clostridiumljungdahlii creciendo en un medio que contiene acetato de amonio.
En la figura 18 se muestra la conductividad de Clostridiumljungdahlii creciendo en un medio que contiene acetato de amonio.
En la figura 19 se muestra la captacion de carbono espedfica de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio que contiene carbonato de amonio.
En la figura 20 se muestra la productividad de etanol espedfica de Clostridiumljungdahlii creciendo en un medio que contiene carbonato de amonio.
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En la figura 21 se muestra la conductividad de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio que contiene carbonato de amonio.
En la figura 22 se muestra la captacion de carbono espedfica de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio que contiene carbonato de amonio como base.
En la figura 23 se muestra la productividad de etanol espedfica de CL creciendo en un medio que contiene carbonato de amonio como base.
En la figura 24 se muestra la conductividad de Clostridiumljungdahlii creciendo en un medio que contiene carbonato de amonio como base.
En la figura 25 se muestra la captacion de carbono espedfica de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio con bicarbonato de amonio.
En la figura 26 se muestra la productividad de etanol espedfica de Clostridiumljungdahlii creciendo en un medio con bicarbonato de amonio.
En la figura 27 se muestra la conductividad de Clostridium ljungdahlii creciendo en un medio con bicarbonato de amonio.
Las tablas siguientes resumen los resultados.
Captacion de carbono espedfica y Productividad de etanol espedfica
- Tratamiento
- SCU promedio SCU d.t. Productividad de etanol espedfica promedio
- Valor de referencia
- 0,711 0,054 5,706
- 1-lisina (medio)
- 0,521 0,179 6,421
- Acetato de amonio (medio)
- 0,792 0,082 7,862
- Carbonato de amonio (medio)
- 0,846 0,075 9,009
- Carbonato de amonio (base) Total
- 0,883 0,039 9,718
- 0,25 M
- 0,867 0,034 9,091
- 0,125 M
- 0,894 0,038 10,165
- Bicarbonato de amonio (medio)
- 0,848 0,047 8,726
Conductividad del medio del fermentador (mS/cm)
- Tratamiento
- Disminucion del valor bruto de la conductividad* Conductividad promedio
- 1-lisina (medio)
- -5,77 3,291
- Acetato de amonio (medio)
- -4,75 4,027
- Carbonato de amonio (medio)
- -3,74 4,839
- Carbonato de amonio (base) Total
- -6,30 2,445
- 0,25 M
- -5,73 3,065
- 0,125 M
- -6,30 1,982
- Bicarbonato de amonio (medio)
- -4,05** 4,300
- *Usa el valor inicial del experimento de la lisina (8,07 mS/cm) como valor de referencia. **Omite las mediciones perifericas proximas al inicio del experimento
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Concentracion de ion amonio
- Tratamiento
- Concentracion de ion amonio (ppm) promedio
- Valor inicial
- 145,71
- Carbonato de amonio (0,25 M base)
- 235,26
- Carbonato de amonio (0,125 M base)
- 220,11
- Bicarbonato de amonio (medio)
- 184,41
Los resultados indican que los compuestos nitrogenados, especialmente los que contienen iones amonio, se pueden usar como sustitutos del cloruro de amonio. La L-lisina usada en el medio no dio buenos resultados como fuente de nitrogeno para obtener un alto rendimiento. El uso de lisina llevo a un aumento inicial tanto de la captacion de carbono espedfica (SCU) como de la productividad de etanol espedfica (SEP), aunque finalmente condujo a unas marcadas disminuciones en ambas metricas. El valor bruto de la SCU disminuyo en un 58 %, mientras que el valor bruto de la SEP disminuyo en un 47 %. La SCU promedio disminuyo en un 26 %, un cambio significativo. La SEP promedio aumento en un 12 %, pero este aumento no fue estadfsticamente significativo debido a una desviacion tfpica muy elevada. La densidad celular disminuyo a lo largo del experimento de 2,03 g/l a 1,02 g/l. El valor bruto de la conductividad disminuyo en un 71 %, de 8,07 mS/cm a 2,30 mS/cm, con un promedio a lo largo del tiempo del experimento de 3,291 mS/cm. La mayor parte del tiempo en este experimento, la conductividad fue inferior a 3,0 mS/cm.
El acetato de amonio como fuente de nitrogeno en el medio condujo a un ligero aumento de solo un 11 % de la SCU promedio, un valor que no es estadfsticamente significativo. Sin embargo, el valor bruto para la SCU disminuyo desde el principio hasta el final del experimento (0,943 vs. 0,830), una cafda del 12 %. Hubo un aumento significativo del 37 % de la SEP promedio en comparacion con los promedios de referencia. El valor bruto de la SEP aumento durante el experimento de 6,43 a 8,57, un incremento del 25 %. La conductividad durante este experimento disminuyo en un 58 %, hasta un mmimo de 3,32 mS/cm (usando el valor inicial del experimento de la lisina como valor de referencia para la conductividad en medio PP-A1), con un valor promedio de 4,027 mS/cm. Para la mayor parte del experimento, el valor de la conductividad fue inferior a 4,0.
Cuando se uso carbonato de amonio en el medio como fuente de nitrogeno, se observaron aumentos significativos tanto de la SCU como de la SEP. La SCU aumento en un 19 % y la SEP aumento en un 57 %. Los valores brutos de la SCU y la SEP disminuyeron durante el experimento en un 15 % y un 23 %, respectivamente. La conductividad durante este experimento disminuyo en un 46 %, hasta un mmimo de 4,33 mS/cm, con un valor promedio de 4,839 mS/cm.
Se ensayo tambien el carbonato de amonio como fuente de nitrogeno omitiendo el compuesto de la formula del medio y usandolo en cambio como solucion de base. Este metodo de suministrar carbonato de amonio dio como resultado aumentos globales significativos de la SCU (19%) y de la SEP (41 %) frente al valor de referencia. Se usaron dos concentraciones diferentes de carbonato de amonio 0,25 M y 0,125 M, y los resultados fueron ligeramente diferentes para cada una. Cada concentracion daba una SCU y una SEP significativamente mas elevadas que el valor de referencia del reactor. Cada concentracion de base daba como resultado valores ligeramente diferentes para las dos metricas medidas, aunque las desviaciones tfpicas de estas mediciones se sobrepoman entre sf. Las dos soluciones de base disminuyeron la conductividad en un 71 % (0,25 M) y un 78 % (0,125 M) hasta mmimos respectivos de 2,34 mS/cm y 1,77 mS/cm. Los promedios fueron 3,065 mS/cm y 1,982 mS/cm, respectivamente. La concentracion del ion amonio en el reactor se midio justo antes y a lo largo de la duracion del carbonato de amonio como experimento base. Los resultados de estas mediciones muestran que al reactor se le suministro un exceso de ion amonio (50-62 %) durante el experimento.
Se ensayo tambien bicarbonato de amonio como aditivo para el medio. Los datos experimentales muestran que hubo aumentos significativos tanto en la SCU como en la SEP. La SCU promedio aumento por encima del valor de referencia en un 19 % y la SEP promedio aumento por encima del valor de referencia en un 53 %. La conductividad durante este experimento disminuyo en un 50 %, hasta un mmimo de 4,02 mS/cm, con un valor promedio de 4,3 mS/cm. La concentracion de ion amonio se controlo igualmente durante esta fase del experimento. Los valores muestran que el ion estaba en un exceso del 26 % en el reactor.
Ejemplo 3: Efectos del aumento progresivo de la osmolaridad sobre el rendimiento del cultivo.
Se cultivo Clostridium ljungdahlii C-01 en un biorreactor (BioFlo/CelliGen 115) con el medio siguiente. El flujo de medio promedio por gramo de celulas fue de 1 ml/g/minuto.
5
10
15
20
25
30
- Producto qmmico
- Lfmite
- FeCl2*4H2O (g)
- 0,24
- H3PO4 (ml)
- 0,86
- KCl (g)
- 3,00
- MgCl2*6H2O (g)
- 0,48
- NH4Cl (g)
- 19,44
- Cistema HCl (g)
- 4,50
- 6 x Med A2 (ml)
- 15,0
- 6 x TE (ml)
- 4,6
- Agua (l)
- hasta 10
En este experimento de 21 dfas la conductividad del caldo de cultivo aumento usando NaCl. Cada adicion de NaCI a intervalos dados se muestra en la figura 28 de acuerdo con la siguiente pauta.
Concentraciones de NaCl tras cada adicion.
Tiempo (h) Concentracion (g/l)
- 163
- 1
- 307
- 2
- 422
- 3
- 498
- 4
- 597
- 5,23
- 618
- 5
- 646
- 6
- 720
- 7
- 793
- 8
- 883
- 9
- 935
- 10
- 1001
- 11
- 1057
- 12
- 1119
- 13
La conductividad del cultivo aumento con cada adicion de NaCl. La captacion de carbono espedfica (SCU), como indicador de la actividad de cultivo se midio a lo largo de todo el experimento. La Figura 28 muestra que con cada adicion de NaCl, la SCU disminma durante un periodo de tiempo pero se recuperaba despues de un corto periodo de adaptacion.
La Figura 28 se puede dividir en tres areas de interes; 0-500 h (1), 500 -1100 h (2), y 1100-1200 h. El area 1, en la que la conductividad era inferior a 15 mS/cm, muestra que la adicion de NaCl tiene menos impacto en la SCU: solo pequenas perdidas de la SCU seguidas de recuperaciones totales. El area 2, en la que la conductividad era superior a 15 mS/cm, muestra que la adicion de NaCl tiene mas impacto en la SCU: mayores oscilaciones de la SCU. En esta area las adiciones de NaCl provocaron grandes cafdas de la SCU seguidas de grandes oscilaciones hacia arriba. En esta area final cuando la conductividad aumento hasta aproximadamente 30 mS/cm o mas, el cultivo perdio su actividad.
Ejemplo 4: Efectos del aumento rapido de la osmolaridad sobre el rendimiento del cultivo.
Se cultivo Clostridium ljungdahlii C-01 en un biorreactor (BioFlo/CelliGen 115) con el mismo medio que el descrito en el ejemplo 3. El flujo de medio promedio por gramo de celulas fue de 1,1 ml/g/minuto.
En este experimento de 10 dfas, la concentracion de NaCl en el caldo se incremento dos veces mas rapido que la velocidad de incremento de la concentracion de NaCl en el ejemplo 3 de acuerdo con la pauta siguiente.
5
10
15
20
25
30
Concentraciones de NaCI tras cada adicion.
Tiempo (h) Concentracion (g/l)
- 96
- 7
- 121
- 9
- 144
- 11
- 498
- 13
La Figura 29 muestra la SCU del cultivo a diferentes conductividades. Al igual que en el ejemplo 3, el cultivo perdio su actividad una vez que la conductividad del cultivo llego a aproximadamente 30 mS/cm.
Ejemplo 5: Efecto de la velocidad de alimentacion del CO sobre la conductividad.
Se cultivo Clostridium ljungdahlii C-01 en un biorreactor (BioFlo/CelliGen 115) con el mismo medio que el descrito en el ejemplo 3.
Se ajusto la conductividad del cultivo ajustando la fuerza del medio de cultivo, por ejemplo la concentracion de todos los componentes, excepto la vitamina, en el medio de cultivo en 1,5 y 2 veces a fin de incrementar la conductividad del cultivo de ~ 7 mS a ~ 9,5 mS y ~ 12 mS, respectivamente.
Los experimentos se iniciaron con la densidad celular inicial de 0,38 (+/-0,02) o 0,785 g/l. La composicion del sintegas era de un 30 % de CO, un 15 % de H2, un 10 % de CO2 y un 45 % de N2. Se llevaron a cabo diversos experimentos de puesta en marcha para cada conductividad del cultivo dada a fin de determinar la velocidad de alimentacion de gas espedfico apropiada (que se puede usar en la practica) para una conductividad del cultivo dada. A lo largo de estos experimentos, se determino la velocidad de alimentacion de gas apropiada para una conductividad del cultivo dada. Tal como se ilustra en la figura 30, la velocidad de alimentacion de CO apropiada/funcional se represento frente a la conductividad del cultivo, en la que
y =-6,0327x+ 12,901
Velocidad de alimentacion de CO espedfica = cantidades molares de CO por gramo de celulas
Velocidad de alimentacion del CO apropiada/funcional = velocidad de alimentacion de CO que puede duplicar la C- 01 en 40 horas.
Aunque la invencion divulgada en el presente documento se ha descrito mediante realizaciones, ejemplos y aplicaciones espedficos de la misma, los expertos en el arte podnan efectuar diversas modificaciones y variaciones de la misma sin apartarse del alcance de la invencion expuesta en las reivindicaciones.
Claims (5)
- 510152025303540REIVINDICACIONES1. Un proceso para la fermentacion de un sustrato gaseoso que contiene CO que comprende:suministrar un sustrato gaseoso que contiene CO a un medio de fermentacion y fermentar el sustrato gaseoso que contiene CO poniendolo en contacto con una o mas bacterias acetogenicas;controlar la conductividad del medio durante la fermentacion mientras se proporciona un rendimiento de espacio- tiempo (STY) de 10 g de etanol/(l.dfa) o superior, en el que el medio de fermentacion tiene una conductividad de 30 mS/cm o inferior; ymantener una relacion de la conductividad con respecto a la captacion de carbono espedfica (SCU en mmoles/minuto/gramo de celulas secas) de acuerdo con una formula en la que SCU = SCUmax - F*conductividad, en la que SCUmax es hasta 3 y F = de 0,05 a 1.
- 2. El proceso de fermentacion de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el sustrato gaseoso que contiene CO tiene una relacion CO/CO2 de 0,75 o superior.
- 3. El proceso de fermentacion de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la bacteria acetogenica se selecciona entre el grupo que consiste en Acetogenium kivui, Acetoanaerobium noteroae, Acetobacterium woodii, Alkalibaculum bacchi CP11 (ATCC BAA-1772), Blautia producta, Butyribacterium methylotrophicum, Caldanaerobacter subterraneous, Caldaranaerobacter subterraneous pacificus, Carboxydothermus hydrogenoformans, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium acetobutylicum P262 (DSM 19630 de DSMZ Alemania), Clostridium autoethanogenum (DsM 19630 de DSMZ Alemania), Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 de DSMZ Alemania), Clostridium autoethanogenum (DSM 23693 de DSMZ Alemania), Clostridium autoethanogenum (DSM 24138 de DSMZ Alemania), Clostriditiun carboxidivoraras P7 (ATCC PTA-7827), Clostridium coskatii (ATCC PTA-10522), Clostridium drakei, Clostridium ljungdahlii PETC (ATcC 49587), Clostridium ljungdahlii ERI2 (ATCC 55380), Clostridium ljungdahlii C-01 (ATCC 55988), Clostridium ljungdahlii O-52 (ATCC 55889), Clostridium magnum, Clostridium pasteurianum (DSM 525 de DSMZ Alemania), Clostridium ragsdali P11 (AtCc BAA-622), Clostridium scatologenes, Clostridium thermoaceticum, Clostridium ultunense, Desulfotomaculum kuznetsovii, Eubacterium limosun, Geobacter sulfurreducens, Methanosarcina acetivorans, Methanosarcina barkeri, Morrella thermoacetica, Morrella thermoautotrophica, Oxobacter pfennigii, Peptostreptococcus productus, Ruminococcus productus, Thermoanaerobacter kivui, y mezclas de las mismas.
- 4. El proceso de fermentacion de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el medio de fermentacion incluye una fuente de nitrogeno seleccionada entre el grupo que consiste en hidroxido de amonio, acetato de amonio, carbonato de amonio, bicarbonato de amonio, y mezclas de los mismos.
- 5. El proceso de fermentacion de acuerdo con la reivindicacion 4, en el que el medio de fermentacion incluye hidroxido de amonio como fuente de nitrogeno.
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