BRPI0706993A2

BRPI0706993A2 - processo e equipamento para aumentar a produÇço de hidrogÊnio

Info

Publication number: BRPI0706993A2
Application number: BRPI0706993-6A
Authority: BR
Inventors: Kumar Suresh Manukonda; Tapan Chakravarti; Narayanrao Atul Vaidya; Narayan Sandeep Mudliar; Sukumar Devotta; Banibrata Pandey; Seshasadri Pidapatri Sastry
Original assignee: Nagarjuna Energy Private Ltd
Priority date: 2006-02-13
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2012-06-12
Also published as: KR20080108990A; CN101384696B; CN101384696A; US20090325255A1; WO2007093877A3; CA2642247A1; WO2007093877A2; EP1989287A2; JP2009544276A; AU2007216223A1; AU2007216223B2; WO2007093877A8

Abstract

PROCESSO E EQUIPAMENTO PARA AUMENTAR A PRODUÇçO DE HIDROGÉNIO. A presente invenção presente provê um processo de produção crescente de hidrogênio durante um processo de fermentação e também um equipamento electro-bioquímico é projetado para alcançar uma produção de hidrogênio mais alta.

Description

PROCESSO E EQUIPAMENTO PARA AUMENTAR A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO.

Campo da presente invenção

A presente invenção está no campo da produção do hidrogênio.

Estado da técnica:

A queima excessiva de combustíveis fósseis que dá lugar à geração de CU2, de SOx1 e de NOx é uma das causas primárias do aquecimento global e da chuva ácida, que começaram a afetar o clima da terra, AS CONDIÇÕES METEREOLÓGICAS, a vegetação e os ecossistemas aquáticos. O hidrogênio é a fonte de energia mais limpa, produzindo somente a água como seu produto de combustão. O hidrogênio se pode produzir das matérias-primas recicláveis tais como biomassas e água. Portanto, o hidrogênio é um substituto limpo potencial da energia para os combustíveis fósseis. Apesar da natureza "verde" do hidrogênio como combustível, ainda se produz sobretudo de fontes NÃO-RENOVÁVEIS tais como gás natural e hidrocarbonetos baseados petróleo via reformar de vapor, e o somente 4% se gera da água usando eletrólises. No entanto estes processos são altamente INTENSIVOS EM GASTO ENERGÉTICO e nem sempre ambientalmente benignos. Dado estas perspectivas, a produção biológica do hidrogênio assume importância suprema como fonte de energia alternativa.

A fermentação das biomassas ou de substratos a base de carboidratos apresenta uma rota promissora da produção biológica do hidrogênio comparada com as rotas fotossintéticas ou do produto químico. Os substratos puros, incluindo a glicose, o amido e a celulose, tão bem como diversos materiais de resíduo orgânicos podem-se utilizar para a fermentação do hidrogênio. Entre uma grande quantidade de espécie microbiana, os aeróbios terminantes e QUIMIOHETERÓTROFOS aeróbios facultativos, tais como clostridia e bactérias entéricas, são produtores eficientes do hidrogênio.

Apesar de ter mais um índice alto da evolução do hidrogênio, a produção de hidrogênio é 4 toupeiras (MOL, e não toupeira) que H2 pela toupeira da glicose que usa os processos fermentantes é mais baixo que o alcançados usando outros métodos; assim, o processo não é economicamente viável na sua presente forma. Os caminhos e a evidência experimental citados na literatura revelam que um máximo de quatro moles de hidrogênio se pode obter dos substratos tais como glicose. A fermentação da glicose por todas as rotas microbiológicas sabidas pode produzir teoricamente até 4 mol de hidrogênio pelo mol de glicose, a eficácia de 96.7% conversões baseada em 4 toupeiras de glicose de H2/mol foi atingida pelo investigador somente usando as enzimas. O desafio principal à produção fermentante do hidrogênio é que o somente 15% da energia da fonte orgânica se pode obter tipicamente na forma de hidrogênio. Enquanto que uma eficácia da conversão de 33% é teoricamente possível para a produção do hidrogênio da glicose (baseada no hidrogênio das toupeiras do máximo quatro pela glicose da toupeira), só a metade disto se obtém geralmente baixo a fornada e condições contínuas da fermentação. Quatro toupeiras de hidrogênio poderiam ser obtidos somente da glicose se duas toupeiras de acetato se produzem, não obstante somente duas toupeiras de hidrogênio se produzem quando o butirato é o produto principal da fermentação. Tipicamente, 60-70% do produto aquoso durante a fermentação do açúcar é butirato. Isto é porque a alta pressão H2 dentro dos resultados do reator na inibição do Iyase do formato da oxiodo-redução e do PlRUVATO do ferrodoxin do PIRUVATO, as duas enzimas responsáveis da conversão do PIRUVATO ao acetato. Assim uma pressão baixa do hidrogênio de ao redor 10<"3> atmosfera é necessária para alcançar alta eficácia da conversão. Um organismo termofilico se divulgou recentemente que pode poder alcançar eficácias mais altas da conversão. No entanto, sua rota bioquímica da produção do hidrogênio é desconhecida, e as demandas da alta conversão da produção do hidrogênio não se verificaram nem se demonstraram independentemente para ser econômicas. A engenharia genética de bactérias podia aumentar a recuperação do hidrogênio. No entanto, iguale se os caminhos bioquímicos que são utilizados pelas bactérias tais como clostridia se modificam com sucesso para aumentar a produção do hidrogênio otimizando a produção do acetato, a eficácia máxima da conversão imóvel permanecerá debaixo de 33%.

Na perspectiva da drenagem do que foi dito, o aspirante fez um esforço de desenvolver resultados de um método em mais uma produção alta do hidrogênio da glicose.

Objetivo da presente invenção é desenvolver um método para aumentar a produção do hidrogênio em um processo de fermentação. Com tudo em outro objeto da presente invenção está desenvolver um reator para colocar o método em funcionamento mencionado anteriormente. Abreviatura usada no uso VFA = ácidos gordurosos voláteis.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Fig. 1 é a representação esquemática do reator eletro- bioquímico com os para capturar prótons lançados durante a fermentação aeróbica. Descrição detalhada da presente invenção

Por conseguinte, a presente invenção revela um processo de aumentar a produção do hidrogênio de um processo de fermentação. Para alcançar igual, um reator eletro-bioquímico é desenvolvido para capturar os prótons aplicando a carga elétrica, que se gera durante a fase acidogenica da fermentação. FERMENTANTE = FERMENTATIVO.

Como evidente de arte anterior na produção fermentante do hidrogênio, a produção de hidrogênio é baixa e a razão atrás disto é pressão mais em cima parcial do hidrogênio. Mais uma produção alta requer manter da pressão parcial baixa do hidrogênio no reator de fazer a reação termodinâmica favorável para a conversão do PIRUVATO ao acetato e não a outros produtos finais reduzidos tais como butirato. Também os prótons formaram durante a fermentação mais sob o ph do caldo da fermentação, de tal modo reduzindo o índice da produção do hidrogênio. Várias estratégias (ex. explosão do nitrogênio) foram conhecidas para a retirada do hidrogênio. A maioria destas ABORDAGENS mais modernas requer a separação do hidrogênio do gás inerte que descasca de tal modo que aumenta o custo de produção do hidrogênio. No entanto, nenhum da arte anterior deu qualquer pista para capturar excesso do próton e para transformar estes ao hidrogênio molecular e ali por aumento o quociente de conversão do hidrogênio do substrato.

Os prótons gerados no caldo fermentante se transformam ao hidrogênio no eletrodo negativamente carregado e se estão tirados simultaneamente, permitirão não somente o sistema em manter a pressão parcial baixa do hidrogênio e do ph constante mas também aumentarão a quantidade de produção do hidrogênio. Isto alternadamente realça o índice da produção do hidrogênio como resultado da pressão parcial do hidrogênio baixo ativando duas enzimas reprimidas hidrogênio tais como Iyase que transformem o PIRUVATO ao acetato, pré um requisito essencial do formato da oxiodo-redução (ΟΧΙDO- REDUÇÃO_ e do PIRUVATO- do PIRUVATO-ferredoxin-ferredoxin (FERRODOXINA) para gerar quatro toupeiras de hidrogênio pela toupeira (POR MOL, não por toupeira) da glicose. A presente invenção sugere um sistema, pelo que o próton gerado durante fase acidogenica em um processo aeróbio se possa transformar ao hidrogênio e de tal modo aumente a produção de hidrogênio na fermentação heterotrófica. Portanto a produção de hidrogênio será mais alta que a produção máxima estrequiometricamente possível.

O que segue é a reação ocorre durante a interrupção da glicose em Heter.

A reação anterior em um fermentador aeróbio indica claramente que 4 toupeiras de hidrogênio molecular podem ser obtidos a partir das toupeiras a 1 da glicose. O método da presente invenção apanha excesso do próton (4H<+>) e os transforma no hidrogênio molecular ali aumentando a produção.

Os quatro prótons ditos (4H<+ >) se capturam durante uma fase da transição momentos antes da formação do ácido ACÉTICO. Os dois prótons são as contrapartes dos íons do acetato e dois restantes estão dos íons do bicarbonato. Sob circunstâncias normais e processo de fermentação convencional, os prótons livres combinam com o íon do acetato para formar o ácido acético e com bi-carbonato finalmente para formar H2OU e o CO2. Sobre a aplicação da corrente elétrica os prótons livres se transformam ao hidrogênio molecular, que então se tomada em compartimento da coleção do gás. Capturando os prótons, a pressão atmosférica baixa do hidrogênio é mantida durante a fermentação aeróbia, que alternadamente ajuda ao microorganismo a ativar o formato-lyase da oxiodo-redução e do PlRUVATO do ferrodoxin do PIRUVATO.

O diagrama esquemático seguinte representa um diagrama esquemático que explique a fonte de prótons e o mecanismo de transformar esses prótons no hidrogênio molecular. Uma fase instável ou seja momentos antes da formação do ácido acético, CH3C00< "> e 2HC03<" > conseguem gerados. Já que o estado iônico é muito instável, estes íons negativamente carregados tendem para combinar com os prótons ao ácido acético. A presente invenção propõe capturar estes prótons para prevenir a formação do ácido acético e esses prótons se transformam posteriormente ao hidrogênio molecular sobre o uso da corrente elétrica suave. Não tem havido diminuição da concentração do ácido acético, que indica que H<+ > os íons não são gerado devido a analisam do ácido acético, mas momentos antes da formação do ácido acético durante processo de fermentação. Organograma esquemático da conversão do carboidrato complexo ao ácido acético. Este organograma demonstra a geração de 4 prótons (4H<+ >).

CARBOIDRATO COMPLEXO

O ÁCIDO, AOS PRÓTONS D=7.1 SUAVE a presente invenção proporciona por conseguinte um processo para a superprodução do hidrogênio em um processo de fermentação heterotrófica, processo dito que abrange os passos: a) cultivando o microorganismo em um meio nutriente sob condição aeróbia e permite para proceder fermentação em uma temperatura na gama de 25 a 40<0>C por um período de 36 a 72 horas em um fermentador incluindo os eletrodos carregados, e b) os prótons que capturam gerados durante a fermentação aplicando uma carga elétrica ao eletrodo e seletivamente atraindo os prótons ao eletrodo para produzir o hidrogênio molecular e recolhendo igual junto com o hidrogênio produzido pelo microorganismo durante a fermentação.

Em outra forma da presente invenção, a temperatura é 37<0>C.

Ainda em outra forma da presente invenção, o meio nutriente se seleciona de um grupo que abrange o açúcar e os ácidos orgânicos fermentáveis.

Porém em outra MATERIALIZAÇÃO da presente invenção o açúcar se seleciona de um grupo que abrange a hexose, pentose. A invenção mais futura proporciona a um bio-reator usado para o processo de fermentação heterotrófica, o abranger dito do bio-reator: a) um recipiente para a fermentação, b) pelo menos um eletrodo, o eletrodo se adaptou a seletivamente captura a partícula carregada desejada quando potencializada, c) uma tomada para apanhar o gás, e d) opcionalmente o abranger os meios de armazenar o hidrogênio produzido. Em uma mais forma da presente a invenção se relaciona com um método de apanhar partículas carregadas excesso de um fermentador produzido durante a reação bioquímica em um fermentador, método dito que abrange introduzindo no fermentador um eletrodo, capturando a partícula carregada aplicando uma carga elétrica ao eletrodo e seletivamente atraindo as partículas carregadas desejadas ao eletrodo e apanhando igual do eletrodo encapsulado. Além disso, em outra forma da presente invenção, o eletrodo se pode encapsular opcionalmente pela membrana permeável do gás. Rg 1 demonstra um reator eletro-bioquímico [ A ] para a produção realçada do hidrogênio capturando os prótons lançados durante a digestão aeróbia da fermentação e retirada simultâneo do hidrogênio do sistema, que abrange de um fermentador que contém dois eletrodos [ O ] e [ E2 ] conectado com o potencial elétrico [ B ] (na C.C.) para a captura do próton no eletrodo negativamente carregado ou cátodo, e uma coleta do gás [ F ] para a coleção de hidrogênio gerada no eletrodo negativamente carregado. [ C ] representa a entrada da bomba de alimentação, enquanto [ D ] representa a tomada para apanhar meio gasto. O C e a D se utilizam somente na fermentação contínua. Uma bomba se pode também utilizar para apanhar o gás produzido no reator. Produção da tabela 1 do hidrogênio pelos sp. ATCC824 de Clostridium junto com o aumento de %age do hidrogênio com relação a controle.

C = controle (meio + cultura)

E = experimento (meio, cultura e eletrodo)

Produção da tabela 2 do hidrogênio pelo cellulovoron BSMZ3052 de Clostridium junto com o aumento de %age do hidrogênio com relação a controle.

ID=10.1

C = controle (que contém meio + a cultura)

E = experimento (meio, cultura e eletrodo)

Exemplos:

Os exemplos seguintes se dão pela ilustração do funcionamento da invenção em prática real e portanto não se devem interpretar para limitar o alcance da presente invenção.

Exemplo 1: Composição Media:

Os meios usados para o crescimento e a geração da biomassas das culturas usadas na presente invenção estão tendo os ingredientes seguintes:

Dextrose 2g/l NaCI 5g/l do peptone 20g/l do extrato 45g/l de Carne;

Água destilada 0.5g/l cristalina IOOOmI de HCI;

Composição dos meios usada para a produção do hidrogênio que abrange depois que ingredientes:

Peptone do protease: KH2P04 5g/l: extrato de levedura 2g/l: 0.5g/l;

MgS04.7H20u: 0.5g/l;

L-L-cystine HCL: Ig/i;

Dextrose: log/l;

Água destilada: 1000ml;

Exemplo 2:

Um litro de meios esterilizados que continham a glicose de 20 g/l com os alimentos necessários e inoculada com a cultura pura da espécie do clostridium, foi sujeito à fermentação aeróbia em um fermentador de 2 litros na temperatura constante de 30<0>R. Um litro de meios esterilizados que continham a glicose de 20 g/l com os alimentos necessários e inoculada com a cultura pura dos sp. ATCC824 do clostridium do número de adesão da almofada da espécie do clostridium e o cellulovoron BSMZ3052 do clostridium foram sujeitos à fermentação aeróbia em um reator bioquímico do eletro de 2 litros (quadro 1) na temperatura constante de 30<0>R. O potencial aplicado do cátodo estava entre 2.0 e 4 V, enquanto a densidade corrente era 0.3 e 3.0 ma.

O tempo total da fermentação era 48 horas e o gás total produzido foi recolhido em uma técnica líquida baseada sistema convencional do deslocamento da coleção do gás. O gás era analisado para a cromatografia de gás contente do hidrogênio que usava (detector de captura de elétron) em coluna do parapak QSS.

Um experimento paralelo do controle foi realizado sem o eletrodo ou seja que usava o fermentador convencional e mesmo o microorganismo usado nos experimentos para determinar a eficácia da captura do próton segundo o divulgado no uso instantâneo. Também, a fermentação foi realizada somente com os eletrodos usando o meio usado no experimento mas sem cultura para descobrir se H2 está conseguindo gerado devido à aplicação da corrente ao meio (refere a tabela 1). Já que, a produção do hidrogênio era insignificante; o aspirante não realizou outros experimentos com meio e os eletrodos. Dos exemplos mencionados pode ser observado que o sistema bioquímico eletrolise pode utilizar para a produção realçada do hidrogênio capturando o próton lançado durante fermentação/digestão aeróbia de vários substratos sob pressão baixa do hidrogênio de ao redor 10<"3 > atmosfera. A captura do próton no cátodo desempenhará um papel do duelo; a captura realçará a produção do hidrogênio e manterá o ph na condição neutro perto (de ao redor 7.0). Uma característica que se intrínseca da presente invenção é o uso dos eletrodos carregados para a captura dos prótons gerados durante a digestão aeróbia da fermentação dos vários substratos para realçados, produção do hidrogênio usando culturas transformadas onde estão insensíveis as enzimas que transformam o PIRUVATO ao acetato ao hidrogênio com relação à produção fermentante convencional do hidrogênio, que é limitado devido a descer do ph e à acumulação do hidrogênio. Também a pureza do gás de hidrogênio obtida do reator bioquímico do eletro é alta com relação a esta produzida da fermentação aeróbia convencional.

Vantagens:

1. A produção realçada do hidrogênio comparou aos processos fermentantes aeróbios convencionais devidos capturar os prótons gerados durante a digestão aeróbia de vários substratos e da manutenção do ph aproximadamente 7.0 que previne acidez excessiva em caldo da fermentação.

2. A captura dos prótons gerados do caldo da fermentação ajudará assim em manter o ph sem a adição do álcali e também dá lugar a aumento no índice da reação.

3. O reator eletro-bioquímico mantido em uma pressão baixa do hidrogênio de ao redor 10<"3> atmosfera se pode utilizar para a produção realçada do hidrogênio via captura do próton durante a fermentação aeróbia assim como a digestão aeróbia de vários substratos.

4. O uso do consórcio misturado de microorganismos há o processo fácil funcionar e não há necessidade da esterilização do substrato com relação ao fermentante puro dos microorganismos.

Claims

1. PROCESSO E EQUIPAMENTO PARA AUMENTAR A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO, caracterizado por ser um processo para aumentar a produção de hidrogênio em um processo de fermentação heterotropica, onde dito processo que inclui as etapas: a) cultura de microorganismos em um meio nutriente, sob condição anaeróbica permitindo proceder a fermentação a uma temperatura em um intervalo de 25 a 40 0C para um período de 36 a 72 horas em um fermentador que inclui elétrodos carregados; e b) captura de prótons gerados durante a fermentação aplicando uma carga elétrica no elétrodo e seletivamente atraindo os prótons para o elétrodo para produzir hidrogênio molecular e coletando o mesmo junto com o hidrogênio produzido pelo microorganismo durante a fermentação.

2. PROCESSO E EQUIPAMENTO PARA AUMENTAR A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO, processo como reivindicado na reivindicação 1, caracterizado por que na etapa a) a temperatura é 37°C.

3. PROCESSO E EQUIPAMENTO PARA AUMENTAR A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO, processo como reivindicado na reivindicação 1, caracterizado por que o meio nutriente é selecionado de um grupo que inclui açúcar e ácidos orgânicos fermentáveis.

4. PROCESSO E EQUIPAMENTO PARA AUMENTAR A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO, processo como reivindicado na reivindicação 3, caracterizado por que o açúcar é selecionado de um grupo que inclui hexose, pentose.

5. PROCESSO E EQUIPAMENTO PARA AUMENTAR A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO, equipamento, caracterizado por ser um bio- reator usado para processos de fermentação heterotropica, dito bio-reactor incluindo,: a) uma reservatório para a fermentação, b) pelo menos um elétrodo, dito elétrodo adaptado para a captura seletiva desejada de partículas carregadas quando energizadas, c) uma saída para coletar o gás, e d) opcionalmente inclui meios para armazenar o hidrogênio produzido.

6. PROCESSO E EQUIPAMENTO PARA AUMENTAR A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO, processo, caracterizado por ser um processo para capturar partículas carregadas em excesso de um fermentador produzidas durante uma reação bioquímica no fermentador, dito processo incluindo a introdução dentro do fermentador de pelo menos um elétrodo, para capturar partículas carregadas através da aplicação uma carga elétrica no elétrodo e seletivamente atrair as partículas carregadas desejadas para o elétrodo e capturar ditas partículas.