ES2562073B2

ES2562073B2 - Procedimiento de bioconversión selectiva de gases que contienen monoxido de carbono, en etanol, sin acumulación de ácido acético

Info

Publication number: ES2562073B2
Application number: ES201400709A
Authority: ES
Inventors: Christian KENNES; María Del Carmen VEIGA BARBAZÁN; Haris NALAKATH ABUBACKAR
Original assignee: Universidade da Coruna
Current assignee: Universidade da Coruna
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2016-09-12
Anticipated expiration: 2034-09-02
Also published as: ES2562073A1

Abstract

La presente invención describe un bioproceso que permite la producción de bioetanol sin ninguna acumulación de ácido acético al final del proceso de bioconversión. El sustrato utilizado en la bioconversión contiene monóxido de carbono alimentado en continuo a un biorreactor. La conversión del sustrato en etanol, en ausencia de ácido acético al final del proceso, se consigue aportando tungsteno al biorreactor, en presencia o en ausencia total de vitaminas, y ajustando el pH durante la fermentación. El biorreactor contiene como biocatalizador una o varias bacterias del género Clostridium u otro género microbiano capaz de realizar la conversión del sustrato en etanol.

Description

PROCEDIMIENTO DE BIOCONVERSIÓN SELECTIVA DE GASES OUE CONTIENEN MONOXIDO DE CARBONO. EN ETANOL. SIN ACUMULACIÓN DE ÁCIDO ACÉTICO

DESCRIPCIÓN CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención es un procedimiento que se aplica en el sector de la bioenergía y que pennite mejorar la producción de bioetanol a partir de contaminantes y de gas de síntesis.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La escasez cada vez mayor de combustibles fósiles, así como sus efectos negativos sobre el medio ambiente, obliga a buscar otras fuentes de energía u otros combustibles alternativos. El (bio)etanol es uno de estos combustibles alternativos. La producción de etanol es posible por vía (petro)química, mediante reacciones químicas a partir de compuestos como el etileno, o por vía biológica. La vía biológica pennite obtener bioetanol a partir de biomasa u otras fuentes renovables. La ventaja de la biomasa es precisamente su carácter renovable, a diferencia de los compuestos derivados del petróleo. La biomasa está formada por lignocelulosa. Después de unas etapas de pretratamiento e hidrólisis, los polisacáridos presentes en la lignocelulosa, son transformados en azucares simples. Estos últimos son posteriormente fermentables en etanol (van Groenestijn et al.. Bioethanol. In: Kennes C and Veiga MC (eds). Air Pollution Prevention and Control: Bioreactors and Bioenergy. J. Wiley. Chischester, UK, 2013, pp. 431·463, ISBN978'¡'119-94331·0). Sin embargo, la biomasa está formada principalmente por celulosa, hemicelulosa y lignina. La hidrólisis de la celulosa y de la hemicelulosa libera monosacáridos fermentables en etanol, pero los componentes de la lignina no pueden ser fermentados en etanol.

Otra alternativa consiste en realizar una gasificación de la biomasa para obtener el llamado gas de síntesis. Una de las ventajas de esta tecnología es que tanto la celulosa y la hemicelulosa como la lignina se transfonnan en gases, que pueden ser utilizados por distintas bacterias para producir etanol.

El gas de síntesis es un.8 mezcla de monóxido de carbono, hidrógeno y dióxido de carbono, principalmente. Varios de estos gases se encuentran también en algunos efluentes industriales. Su obtención es también posible mediante gasificación de residuos u otros tipos de materias primas. Existen bacterias capaces de convertir el ce, pero también mezclas de ca, H2, yC02, en una mezcla de ácido acético y etanol, en condiciones anaerobias. Hay varios estudios que describen este proceso. En muchos casos, el principal producto es el ácido acético, con concentraciones menores de etanol. Desde hace pocos años, se están realizando estudios para intentar maximizar la producción de etanol y minimizar la fonnación de ácido acético. Hasta día de hoy, en la mayoría de los casos siempre hay fonnación de ambos productos, el etanol y el ácido acético. En la presente invención se produce etanol en ausencia total de acumulación de ácido acético al final del proceso de bioconversión, en un biorreactor con alimentación continua del sustrato.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención pernlite obtener etanol por fermentación de un sustrato que contiene monóxido de carbono, en un biorreactor continuo, en ausencia de ácido acético al final del proceso, debido a la presencia de elementos químicos inorgánicos que incluyen el tungsteno y el ajuste del pH durante el proceso. El sustrato se alimenta de fonna continua al biorreactor, mientras que el medio nutritivo acuoso se introduce inicialmente en el sistema y se trata al final del proceso de conversión para separar el etanol de la mezcla acuosa. De forma alternativa, se puede alimentar una fase acuosa en continuo, con un bajo caudal, separando el etanol de la mezcla que sale del biorreactor. El medio nutritivo acuoso no necesita necesariamente la adición de una solución de vitaminas puras, ni necesita ser altamente reducido. El medio que se puede utilizar en el bioreactor tiene una composición típica para bacterias acidogénicas. No contiene carbohidratos. Un ejemplo de medio de que se puede utilizar es similar al descrito recientemente (Abubackar et al. Biological conversion of carbon monoxide to ethanol: Effect ofpH, gas pressure, reducing agent and yeast extraet, Bioresour. Technol., 2012, 114:518·522) y en el ejemplo más abajo; medio al cual se le añade tungsteno. Se mejora la productividad en etanol si además se modifica y ajusta el pH durante la fennentación.

La producción de etanol, sin acumulación final de ácido acético, se consigue mediante la adición de tungsteno (W) como único suplemento en el medio nutritivo. Adicionalmente, el ajuste del pH a 10 largo del proceso de fennentación permite mejorar la productividad en etanol de forma significativa. La concentración en tungsteno puede estar comprendida entre 14 rngWIL y 140 rngW/L, añadido en forma de Na204W.2H20 u otra forma similar. La omisión de tungsteno en el medio de cultivo resulta mayoritariamente en la formación de ácido acético, mientras que en presencia de este metal hay formación de etanol y ausencia de acwnulación de ácido acético al final del proceso de bioconversión. La ausencia de ácido acético al final del proceso se consigue mediante una modificación del pH (acidificación) que permite la conversión total del ácido acético formado al principio de la fermentación (a pH inicial más elevado) en etanol. Este proceso se puede repetir de forma cíclica. Efectivamente, si después de haber conseguido la transformación microbiana de la totalidad del ácido acético en etanol, se vuelve a aumentar el pH del medio de cultivo, habrá de nuevo formación de ácido acético a partir del sustrato que contiene ca. Posteriormente, un nuevo ajuste del pH (acidificación) resultara nuevamente en la conversión completa del ácido acético en etanol, con un aumento de la concentración total final en etanol comparado con el primer ciclo. El biorreactor puede ser un reactor con biomasa bacteriana en suspensión o un reactor con biomasa inmovilizada sobre un soporte. Una de las ventajas de la invención, a parte de la mayor producción de etanol, es que el proceso de separación del etanol de la fase acuosa es más fácil debido a la ausencia del ácido acético como producto secundario al final del proceso de bioconversión.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Figura 1-Formación de etanol y ausencia de acumulación de ácido acético, en presencia de tungsteno, mediante la bioconversión de monóxido de carbono por Clostridium autoethanogenum Figura 2-Formación de etanol y de ácido acético, en ausencia de tungsteno, mediante la bioconversión de monóxido de carbono por Clostridium autoethanogenum Figura 3-Formación de etanol y de ácido acético, en presencia de tungsteno, con pH inicial de 5,75, ajustado a pH 4,75 al cabo de 90 horas de fermentación en este ejemp10; lo cual resulta en la acumulación de etanol en ausencia total de ácido acético al final del proceso.

DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERENTE Ejemplo 1: Producción de etanol en un biorreactor de tanque agitado con biomasa bacteriana en suspensión y alimentación continua del sustrato. Se utiliza un biorreactor de tanque agitado con biomasa en suspensión. El medio que se introduce en el biorreactor, en este ejemplo, tiene la siguiente composición (por litro de agua destilada): NaCI, 0,90 g ; MgCI2 .6H20, 0,40 g ; KH2P04, 0,75 g ; K2HP04, 1,50 g; extracto de levadura, 0,5 g; cysteine.HCI , 0,75 g; FeCI3 .6 H20, 2,50 rng; resazurina, 0,50 rng; solución de micronutrientes SL-lO (según medio 320 de la DSMZ) lruL. Al medio se le añade tungsteno en forma de Na204W.2H20, con una concentración de W de 14 rng!L. Se ajusta el pH a 4,75. De forma alternativa, se puede ajustar el pH a valores por encima de 5,5, para posterionnente ajustarlo a un valor más bajo durante el proceso de bioconversión. Se inocula el biorreactor con un cultivo de Clostridium autoethanogenum (Abrini et al. Clostridium autoethanogenum, sp. nov., an anaerobic bacterium that produces ethanol from carbon monoxide, Archiv. Microbiol. 1994, 161:345-351). Se estima que la introducción del inoculo en el biorreactor aporta también trazas de tripticasa y de NH4CI «0.10 g/L, en cada caso), así como concentraciones residuales de ácido acético y/o etanol «O. I 5 giL, en cada caso). Se deja pasar nitrógeno durante unos minutos a través del sistema, para eliminar los restos de oxígeno y mantener condiciones anaerobias. Se alimenta monóxido de carbono puro, en continuo, con un caudal de 10 mL(CO)/L(reactor).min, en condiciones estériles. El pH del medio se mantiene constante de fonna automática, mediante la adición de

NaOH o He!.

Las concentraciones de etanol y ácido acético en el medio se detenninan por cromatografia líquida, HPLC, y aparecen en la Fig. 1, para el medio que contiene W. La simple omisión de W en el medio conduce a la formación de ácido acético en concentraciones elevadas comparado con el etanol, como se puede ver en la Fig. 2. En la Fig. 3 se puede observar que en presencia de W, con un pH inicial de 5,75,

posteriormente reducido a pH 4,75, hay formación inicial de ácido acético y etanol,

seguido posterionnente por la (bio)e1iminación natural del ácido acético mientras sigue

aumentando la concentración en etanol.

Claims

REIVINDICACIONES

5 l. Procedimiento de producción de etanol durante la bioconversión de un sustrato que contiene monóxido de carbono y que pennite obtener etanol sin acumulación alguna de ácido acético, mediante la adición de tungsteno al medio.
2. Procedimiento según reivindicación 1 que comprende las siguientes etapas:

lOa) Preparación de un medio de cultivo para bacterias acetogénicas, que contiene tungsteno, en condiciones anaerobias y estériles, ajustando el pH al valor adecuado b) Inoculación de una cepa bacteriana acetogénica e) Alimentación, en continuo, de un gas que contiene monóxido de carbono o mezclas de gases que contienen monóxido de carbono

15 d) Separación del producto o de los productos del medio de fennentación, al final del proceso de bioconversión
3. Procedimiento, según reivindicaciones 1 y 2, donde el pH inicial se ajusta por encima

de 5,5 para posterionnente reducirlo a valores más ácidos 20
4. Procedimiento, según reivindicaciones I y 2, donde el pH inicial se ajusta por encima de 5,5, para posterionnente reducirlo a valores más ácidos, y repetir el proceso de variación de pH de fonna ciclica, eliminando el ácido acético a pH bajo y acumulando cantidades mayores de etanol a ese mismo pH bajo en cada ciclo.
5. Procedimiento, según reivindicaciones 1, 2, 3 Y 4, donde los productos finales son el etanol y el ácido acético, con una relación (etanol:ácidoacético) comprendida entre 10:5 y 10:0 al final del proceso.