СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ ИЗ СБРАЖИВАЕМОЙ БИОМАССЫ
METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING ORGANIC MOLECULES FROM FERMENTED BIOMASS

Настоящее изобретение относится к способу получения молекул из сбраживаемой биомассы. Указанный способ выполняют до получения из биомассы молекул интереса, непосредственно пригодных для применения, по аналогии с получением молекул при переработке биологических веществ. В данном описании способ, среди прочего, включает анаэробную стадию сбраживания.
Сбраживаемая биомасса в данном описании обозначает предпочтительно, но не исключительно, непищевой органический субстрат, полученный из отходов жизнедеятельности, побочных продуктов и попутных продуктов, образованных органическими веществами, а именно биомасса человеческой деятельности, либо относящейся к бытовой, промышленной, сельскохозяйственной, лесохозяйственной, рыбоводческой, агропромышленной деятельности или животноводству. В качестве неограничивающего примера можно привести органические субстраты, удобрения, органические фракции бытовых отходов, побочные продукты скотобойни, целлюлозные или лигноцеллюлозные остатки агропромышленности, например, от переработки сахарного тростника (жома), подсолнечника или сои.
Под анаэробным сбраживанием понимают сбраживание, осуществляемое при анаэробных условиях микроорганизмами, эукариотами или прокариотами, такими как бактерии, грибы, водоросли или дрожжи.
В данном описании, термин молекула обозначает, но не исключительно, так называемые исходные молекулы. Эти исходные вещества впоследствии позволяют получать другие молекулы, более интересные с точки зрения энергетической и/или химической продуктивности, по сравнению с исходными веществами, при этом следует понимать, что они представляют собой органические молекулы. В качестве молекул, представляющих интерес с точки зрения энергетической и/или химической продуктивности, можно привести, например, молекулы, имеющие углеродную цепь, такие как кислоты, углеводороды, метан, сложные эфиры, спирты, амиды или полимеры.
Сегодня, молекулы, представляющие интерес с точки зрения энергетической и/или химической продуктивности, как правило, получают из ископаемого сырья, такого как углеводороды. Их получение из возобновляемого сырья, такого как биомасса, является решением, представляющим интерес с экономической и экологической точки зрения. Таким образом, известны способы получения данного типа молекул из органического субстрата. Можно упомянуть, например, получение этанола, который является важным компонентом биотоплива первого поколения для транспортных средств, получаемого из биомассы, по существу продуктов питания, таких как кукуруза, пшеница, свекла или сахарный тростник. С помощью таких способов не только получают один монотип восстанавливаемых молекул, но значительную часть углерода в субстрате преобразуют в побочный продукт нижнего ценового сектора, такой как углекислый газ. Кроме того, восстановление с помощью различных средств молекул, представляющих интерес, приводит к образованию большого количества отходов, что порождает экологические проблемы. Более того, микроорганизмы, используемые в таких способах, представляют собой, как правило, генетически модифицированные микроорганизмы. Чтобы исправить это, существуют известные способы, которые направлены на получение так называемых исходных молекул путем сбраживания, как правило, предварительно обработанной или пищевой биомассы. Указанные молекулы затем известными химическими путями преобразуют до различных пригодных для применения молекул. Преобразование в конечные молекулы имеет место позже и независимо от фазы получения указанных так называемых исходных молекул.
В US-A-6043392 раскрыт такой способ получения кетонов путем термической обработки солей летучих жирных кислот, полученных путем анаэробного сбраживания. Часть летучих жирных кислот также преобразуют в углеводороды, альдегиды и спирты. В дополнении к ограниченному числу конечных продуктов, получаемых таким способом, способ осуществляют в две отдельные стадии, а именно при сбраживании с последующей обработкой солей ЛЖК. Другими словами, способ не является непрерывным. Известно, что получение летучих жирных кислот, осуществляемое путем анаэробного сбраживания, вызывает подкисление среды, что вредно для микроорганизмов. Поскольку подкисление среды приводит к ингибированию микроорганизма, и, таким образом, замедляет или даже останавливает сбраживание, необходимо работать с перерывами. Для этой цели, ЛЖК выделяют после заданного времени сбраживания. В US-A-4358537 также раскрыт in situ способ получения углеводов из торфа. Здесь, ЛЖК не представляют собой искомый продукт в качестве исходного вещества. Кроме того, в US-A-2013/309740 раскрыто анаэробное сбраживание, назначением которого является получение метана, при этом ЛЖК, будучи побочным продуктом подлежат удалению. Указанные способы, таким образом, не позволяют быстро и непрерывно получать так называемые исходные молекулы, поэтому выход не является оптимальным.
В настоящее время, в контексте промышленного способа получения молекул путем сбраживания из биомассы, важно, для того, чтобы гарантировать производительность установки, иметь способ, чей выход и адаптируемость к получению различных молекул были бы не только выше, насколько это возможно, но прежде всего были бы регулярными и контролируемыми, одновременно с ограничением производства отходов и сточных вод, которые будут подлежать обработке в дальнейшем. Это тем более важно, так как органические субстраты, используемые в качестве сбраживаемой биомассы, имеют в основном сельскохозяйственное, промышленное, бытовое и/или агропродовольственное происхождение, для того, чтобы гарантировать большие объемы. Следовательно, существует большая изменчивость, качественная и количественная, субстрата в зависимости от различных факторов, таких, как местоположение или сезон года.
Задачей настоящего изобретения является, в частности, преодоление этих недостатков, применяя способ, который дает возможность получать регулярным и контролируемым образом различные так называемые молекулы биологического происхождения, то есть молекулы из биомассы, с применением способа переработки биологических веществ.
По данному назначению, настоящее изобретение относится к способу получения органических молекул из сбраживаемой биомассы, включающему стадию анаэробного сбраживания, где указанное сбраживание приводит к образованию метаболитов сбраживания, называемых исходными веществами, таких как летучие жирные кислоты, указанные, так называемые, исходные метаболиты преобразуют до конечных органических молекул неферментативным способом, включающему по меньшей мере одну стадию, состоящую в осуществлении сбраживания органического субстрата, образованного сбраживаемой биомассой в ферментаторе до получения в качестве метаболитов сбраживания летучих жирных кислот (ЛЖК), имеющих углеродную цепь, состоящую из от 1 до 8 атомов углерода, отличающийся тем, что включает по меньшей мере следующие стадии:
- а) выделение, между началом получения и максимумом получения указанных летучих жирных кислот, по меньшей мере некоторой части летучих жирных кислот из сбраживаемой среды так, чтобы не затронуть производство микроорганизмами метаболитов, вызывающих сбраживание, и введение по меньшей мере части жидкой фазы, содержащей микроорганизмы после выделения, в ферментатор,
- b) синтез органических молекул из метаболитов сбраживания, полученных в ферментаторе, или из летучих жирных кислот, выделенных на стадии а),
- с) повторение стадий а) и b) до тех пор, пока не будут получены конечные молекулы в необходимом количественном и качественном отношении.
Такой способ позволяет получать метаболиты, вызывающие сбраживание, известные как исходные вещества, а именно летучие жирные кислоты, непрерывно, при этом сохраняя популяцию микроорганизмов, присутствующих в биореакторе. Более того, стадия выделения позволяет не только избегать накопления летучих жирных кислот в среде, но и сохранять микроорганизмы, при этом выделение осуществляют при условиях, не смертельных для всех микроорганизмов. Другими словами, выделение является биологически совместимым, это означает, что оно не влияет или не ухудшает биологическую среду, в которой его осуществляют. Таким образом, можно избежать проблем, связанных с накоплением исходных веществ в реакторе, например, окисления сбраживаемой среды из-за накопления летучих жирных кислот, которые являются вредными для микроорганизмов. Активность микроорганизмов поддерживается на высоком уровне, близкому к исходному уровню, в течение всего цикла сбраживания, поскольку большинство микроорганизмов не ингибируется на указанной стадии выделения.
В соответствии с предпочтительными, но необязательными аспектами настоящего изобретения, такой способ может включать один или более из следующих признаков:
- перед стадией а) смесь микроорганизмов из определенных природных экосистем засевают в ферментатор.
- стадии а)-с) осуществляют непрерывно.
- остатки способа подходят для применения в качестве улучшающей добавки, удобрения или в качестве побочного продукта, такого как метан.
Настоящее изобретение также относится к установке для осуществления способа в соответствии с одним из предыдущих признаков, отличающейся тем, что она включает по меньшей мере
- один ферментатор,
- один экстрактор, подходящий для обеспечения выделения летучих жирных кислот, содержащихся в жидкой фазе, полученной при сбраживании, и
- одно устройство для синтеза, такое как химический реактор или электролитическая ячейка, подходящее для обеспечения синтеза метаболитов сбраживания, полученных при сбраживании, в конечные органические молекулы.
В соответствии с предпочтительными, но необязательными аспектами, такая установка может включать следующие признаки:
- включает по меньшей мере одно устройство для хранения субстрата.
Изобретение будет лучше понято и его преимущества станут более очевидными после ознакомления с несколькими вариантами осуществления изобретения, приведенных в качестве неограничивающего примера, и приведенных в качестве ссылки на следующую фигуру, на которой:
- На фиг. 1 представлена упрощенная схема способа, который является объектом настоящего изобретения.
Различные стадии способа описаны далее со ссылкой на несколько вариантов осуществления, следует понимать, что по существу известные стадии не описаны детально: В частности, будет сделана ссылка ниже на схему, показанной на фиг. 1, представляющей предпочтительный вариант осуществления изобретения. В частности, способ описан в случае непрерывного режима сбраживания. Кроме того, стадии, относящиеся к запуску сбраживания, по существу известны.
Во-первых, субстрат 1, используемый в данном описании предпочтительно не обработан, то есть, не подвергался какой-либо физико-химической или предварительной обработке сбраживанием. В варианте осуществления, субстрат 1 может быть подвергнут механической обработке, например, дроблению 2, которое облегчает деятельность микроорганизмов на субстрате. Последний состоит в основном из биомассы 3 деятельности человека. В качестве неограничивающего примера можно привести сельскохозяйственные или растительные отходы (солома, жмых, кукурузные зерна, травы, деревья, обрезки), бумажные отходы (картон, бумага), агропродовольственные отходы, отходы скотобойни, органические фракции бытовых отходов, сточные воды животноводства (навоз, стоки с загонов, помет), водоросли, отходы рыбоводства, лесохозяйственные отходы или побочные продукты брожения косметической промышленности. В другом варианте осуществления, субстрат 1 подвергают физико-химической или предварительной ферментативной обработке, хотя это не является предпочтительным вариантом осуществления.
Предпочтительно, но не ограничено, субстрат 1 используют для подачи питания, при условии, что это сохраняет его способность сбраживаться. Способность сбраживаться характеризуется метаногенным потенциалом биомассы, как правило, обозначаемым в английском языке аббревиатурой BMP (биохимический потенциал метана). Контролируемая дегидратация, как раскрыто в патентной заявке FR 1302119, поданной заявителем, позволяет поддерживать это брожение в течение нескольких месяцев.
Некоторые субстраты также содержат органические молекулы, такие как органические кислоты, которые никак или лишь незначительно повлияют на процесс брожения. В противоположность этому, данные молекулы могут быть найдены в сбраживаемой среде и принимать участие, например, в качестве исходных веществ, в получении конечных органических молекул.
2
2
3
2
3
При использовании некоторых типов субстрата, может быть предпочтительным включение питательных веществ и/или минеральных соединений с целью увеличения роста бактерий и/или регулирования pH субстрата и/или стимулирования получения ЛЖК или других молекул из побочных продуктов. В дополнение, в качестве примера можно привести, в небольшом количестве NaOH, KOH, Са(ОН), KHPO, KHPO, глицерин или растворы витаминов, или микроэлементов. Эта добавка представлена стрелкой А.
Субстрат вводят в ферментатор 4, который по существу известен и имеет нужные размеры для требуемого производства, выполняется ли последнее в лабораторном масштабе для тестов или в промышленных масштабах для производства. Другими словами, ферментатор 4 или биореактор имеет объем, который колеблется от нескольких литров до нескольких сотен кубических метров, в зависимости от потребностей.
Предпочтительно, но необязательно, микроорганизмы вводят заранее в ферментатор 4, по меньшей мере во время запуска, в количестве, достаточном для инициирования процесса брожения. Очевидно, что количество вводимых микроорганизмов зависит, среди прочего, от субстрата. Эти микроорганизмы засевают в виде консорциума, что показано стрелкой М. Термин консорциум относится к смеси или группе микроорганизмов, эукариотов или прокариотов, которые могут быть бактериями, дрожжами, грибами или водорослями. Данные микроорганизмы М получают в основном из природных экосистем, пригодных для осуществления сбраживания в анаэробных условиях. В качестве неограничивающего примера экосистем, можно привести анаэробную зону водной среды, например, бескислородные зоны определенных озер, почвы, болота, осадки сточных вод, рубец жвачных животных, или кишечник термитов. Следует учитывать, что качественное и количественное распределение различных типов и видов микроорганизмов в консорциуме М точно не известно и, прежде всего, может сильно изменяться. Автором неожиданно обнаружено, что указанное качественное и количественное разнообразие микроорганизмов способствует устойчивости и адаптивности к процессу сбраживания, что позволяет обеспечить оптимальное использование субстратов, независимо от состава последних, и это при переменных условиях сбраживания.
Кроме того, в связи с тем, что субстрат 1 используют как есть, это означает, что он не стерилизован или, в более широком смысле, не очищен от микроорганизмов, которые он содержал до его введения в биореактор, обнаружено, что указанные виды эндемичных субстрату 1 микроорганизмов, фактически включены в консорциум М или по меньшей мере связаны с последним в биореакторе 4.
Кроме того, наблюдается обширное колебание не только между различными консорциумами одинакового происхождения, но и в пределах одного консорциума в процессе брожения. Исследования изобретателей (Pessiot et al., Fed-batch Anaerobic Valorization of Slaughterhouse By-products with Mesophilic Microbial Consortia Without Methane Production. Applied Biochemistry and Biotechnology, January 6, 2012) показали, что это колебание связано с последовательными волнами популяций микроорганизмов, но при этом данные популяции, в целом, схожи с точки зрения активности и видов микроорганизмов, за определенный период времени. В связи с этим, продукты брожения являются, условно говоря, постоянными, по меньшей мере качественно.
С целью получения летучих жирных кислот, представлено сбраживание 5, согласно способу по изобретению, интересным признаком является тот факт, что оно проходит в нестерильных условиях. Консорциум М микроорганизмов дает возможность использовать субстрат 1 оптимальным образом и без добавления продуктов, таких как энзимы. Кроме того, сбраживание 5 происходит в анаэробных условиях, более точно, когда окислительно-восстановительный потенциал составляет менее -300 мВ, преимущественно от -550 мВ до -400 мВ, когда pH составляет менее 8, предпочтительно от 4 до 7. Таким образом, сбраживание 5 преимущественно ограничено получением метаболитов сбраживания, указанных в качестве исходных веществ, то есть летучих жирных кислот или ЛЖК. Более того, цель состоит в том, чтобы осуществить в ферментаторе 4 реакцию, аналогичную явлению ацидоза, которое встречаются у жвачных животных, вместе с тем в максимально возможной степени ограничивая получение метана, который в основном является одним из конечных метаболитов, получаемых после завершения такого анаэробного сбраживания.
Сбраживание 5, осуществляемое в соответствии с настоящим изобретением, с консорциумом М дает возможность, в отличие от сбраживания с определенными штаммами, снизить не только уровень Сахаров (пентозы, гексозы или другие), присутствующих в субстрате 1, но также значительную долю компонентов субстрата 1, таких как белки, нуклеиновые кислоты, липиды и карбоновые кислоты. Таким образом, выход такого сбраживания 5 особенно высок при низком образовании отходов. Сбраживание сложных молекул, таких как белки, представляет особый интерес, так как делает возможным, среди прочих эффектов, получение масляной кислоты, 2-метилмасляной кислоты и изовалериановой кислоты. Эти разветвленные летучие жирные кислоты являются исходными веществами, имеющими высокий потенциал получения разветвленных молекул, таких как разветвленные углеводороды, которые имеют преимущества в качестве топлива. Другими словами, при сбраживании 5 образуются, среди полученных различных соединений, исходные продукты для синтеза биотоплива и биомолекул, которые представляют интерес в области химии.
Более точно, сбраживание 5 приводит, на первой стадии, к образованию летучих жирных кислот, имеющих от одного до восьми атомов углерода, главным образом, от двух до четырех атомов углерода, таким как уксусная кислота, пропионовая кислота и масляная кислота. Кроме того, получают летучие жирные кислоты, имеющие более длинную цепь, то есть содержащую более четырех атомов углерода, например, валериановая кислота, гексановая кислота, гептановая кислота или октановая кислота. Длительное сбраживание и/или увеличение количества микроорганизмов в биореакторе 4, при необходимости с выбранными микроорганизмами, может содействовать получению ЛЖК, имеющих длинную углеродную цепь, то есть содержащую более четырех атомов углерода. Другими словами, метаболиты, получаемые в большом количестве во время сбраживания 5, представляют собой летучие жирные кислоты, большинство из которых содержат от двух до шести атомов углерода.
Следует отметить, что также возможно добавление в ферментатор 4 карбоновых кислот, имеющих длинные углеродные цепи (от С8 до С22), которые будут подвержены сбраживанию или преобразованию в ходе последующих стадий химического преобразования в углеводороды, такие как октан и керосин. Данные карбоновые кислоты могут быть добавлены, показано стрелкой С, в необработанном виде или с помощью субстратов, которые их содержат, например, некоторые маслосодержащие продукты растительного происхождения. В качестве неограничивающего примера можно привести подсолнечное, соевое, кокосовое и пальмовое масло, арахисовое или масло ятрофы. Данные карбоновые кислоты или масла предпочтительно содержатся в субстрате 1.
Сбраживание 5 можно осуществлять в прерывистом или периодическом режиме, непрерывно-прерывистом режиме или периодическом режиме с подпиткой, или непрерывно в одном реакторе или в нескольких ферментаторах, расположенных последовательно.
Сбраживание 5 осуществляют с использованием стандартных способов сбраживания для создания анаэробных условий. Для этого назначения, использование атмосферного углекислого газа является предпочтительным, хотя и другие газы, такие как азот или аргон, могут быть рассмотрены для достижения анаэробных условий. Температура в ферментаторе (4) составляет от 20 до 60°C, предпочтительно от 35 до 42°C. Значение pH составляет менее 8, предпочтительно от 4 до 7. Окислительно-восстановительный потенциал менее -300 мВ, предпочтительно от -550 мВ до -400 мВ. Средства для контроля и поддержания температуры и pH по существу известны.
Сбраживание 5 длится достаточно долго, чтобы получить летучие жирные кислоты в жидкой фазе, отмечено ссылкой 6. Продолжительность сбраживания меняется в зависимости от, среди прочих факторов, субстрата 1, представленных микроорганизмов М, от начальной концентрации ЛЖК и условий сбраживания. Как правило, период брожения составляет от 1 до 7 дней, предпочтительно от 2 до 4 дней. Концентрация ЛЖК 6, полученных в сбраживаемой среде, в конце этого периода является переменной величиной, но, как правило, составляет от 10 до 20 г/л, в зависимости от летучих жирных кислот, следует понимать, что при определенных условиях она может составить более 35 г/л, например, приблизительно 50 г/л. В конце стадии сбраживания, сбраживаемая среда имеет кислый уровень pH, как правило, от 4 до 6.
Очевидно, что при сбраживании 5 образуются другие соединения, в частности, газы 7, такие как углекислый газ, водород или метан, которые, предпочтительно, извлекают и используют известным образом, в соответствии со ссылкой 8.
Углекислый газ, например, вновь вводят в ферментатор 4 для поддержания анаэробных условий. В варианте осуществления, его используют в качестве источника углерода для получения фотосинтетической биомассы. Получают другие метаболиты, например, молочную кислоту, сложные эфиры и спирты. Последние либо можно повторно ввести в биореактор 4 для того, чтобы продолжить сбраживание 5, или использовать для других применений как есть или после преобразования.
Следующая стадия представляет собой выделение 9 летучих жирных кислот 6 образованных так же. Последние, в результате по существу известных реакций, будут образовывать на последующей стадии 10 так называемые молекулы биологического происхождения, в зависимости от определенных потребностей. В варианте осуществления, как было указано выше, они образуют субстрат для так называемого вторичного сбраживания с целью получения летучих жирных кислот, имеющих более длинную углеродную цепь. Это сбраживание может быть осуществлено в том же самом реакторе, в продолжение первого сбраживания, или, как вариант, в другом реакторе. Например, можно провести вторичное сбраживание определенными микроорганизмами, такими как Megasphaera edelsnii или Clostridium kluyveri, уксусной кислоты и масляной кислоты с образованием гексановой кислоты и каприловой кислоты. Таким образом, такое сбраживание позволяет увеличить количество определенных ЛЖК, находившихся первоначально в ограниченном количестве.
Во всех случаях, летучие жирные кислоты 6 полученные в жидкой фазе путем анаэробного сбраживания 5, которые выделены по меньшей мере, частично, выделяют при таких условиях, при которых выделение 9 не влияет, или по меньшей мере незначительно влияет на образование летучих жирных кислот микроорганизмами, присутствующими в сбраживаемой среде. Когда летучие жирные кислоты выделяют из сбраживаемой среды, закисление среды данными кислотами в действительности снижается.
Преимущественно, в том смысле, что используемый способ выделения не летален для всех микроорганизмов, обнаружено, что остаточная жидкая фаза 11 после выделения 9, содержит также определенное количество живых и, таким образом, потенциально активных микроорганизмов. Поскольку в этой жидкой фазе 11, концентрация летучих жирных кислот 6 меньше, чем в сбраживаемой среде, то становится возможным проведение обратной закачки кислот в ферментатор 4. Таким образом, не только летучие жирные кислоты присутствуют в среде, разбавленной в процессе сбраживания 5, и pH среды повышено, но среду также повторно засевают микроорганизмами, обеспечивая сбраживание 5 выделением 9 кислотных соединений 6.
Такое решение позволяет оптимизировать выход сбраживания 5 и осуществлять сбраживание непрерывно, при одновременном сокращении времени реакции и ограничении отходов производства до почти нулевого значения.
Выделение 9 предпочтительно проводят в жидкой фазе. Его осуществляют непрерывно или последовательно, например, с выделением каждые 12 часов. Во всех случаях, выделение части летучих жирных кислот осуществляют между началом получения и максимумом получения метаболитов. Предпочтительно, выделение осуществляют в непосредственной близости к порогу ингибирования микроорганизмов летучими жирными кислотами. Этот порог, среди других факторов, зависит от субстрата и условий сбраживания. Кроме того, введение жидкой фазы, полученной при выделении, осуществляют в течение времени, что дает возможность поддерживать высокий уровень образования летучих жирных кислот, а именно близко к тому уровню, при котором проводили выделение.
После выделения 9, летучие жирные кислоты 6 очищают 12 и/или преобразуют, в соответствии со стадией по ссылке 10, в другие продукты, такие как алканы, алкены, амиды, амины, сложные эфиры, полимеры, с применением способов, которые по существу известны, такие как дистилляция, электросинтез, этерификация, амидирование или полимеризация.
Одновременно, в предпочтительном варианте, часть летучих жирных кислот 6, полученных в процессе сбраживания 5 не выделяют, но подвергают стадии электросинтеза 13 или синтеза путем электролиза. Таким образом, углеводороды получают главным образом из летучих жирных кислот с длинной углеродной цепью, вплоть до уксусной кислоты.
Стадия электросинтеза 13 позволяет преобразовывать полученные летучие жирные кислоты 6 в большие количества газообразных и жидких соединений 14 с помощью известных реакций электрохимического декарбоксилирования Кольбе и/или Гофер-Места. Эти две реакции проводят одновременно в процессе синтеза путем электролиза, но корректировка для того, чтобы запустить одну или другую из этих реакций возможна, путем изменения легко контролируемых параметров, как описано ниже. Различные метаболиты могут быть получены путем изменения этих параметров, что обеспечивает гибкое получение различных молекул, как в качественном, так и количественном отношении.
Электросинтез 13 позволяет преобразовывать летучие жирные кислоты непосредственно в сбраживаемой среде. Следовательно, электросинтез также является способом выделения летучих жирных кислот из сбраживаемой среды.
Когда другие органические молекулы, такие как карбоновые кислоты или спирты добавляют в летучие жирные кислоты, диапазон углеводородов и продуктов, которые могут быть образованы, расширяется.
Авторами неожиданно обнаружено, что стадия электросинтеза может быть осуществлена в сбраживаемой среде при мягких реакционных условиях, при температуре и давлении окружающей среды, при 3В или более 3В, и при 1 мА/см2 или более 1 мА/см2 плотности тока на аноде, используя, например, электроды из платины или углерода, такого как, например, графит.
В отношении условий электросинтеза, pH водной фазы, содержащей летучие жирные кислоты, составляет от 2 до 11, предпочтительно от 5,5 до 8. При кислом или нейтральном pH, предпочитают проводить реакцию Кольбе, обеспечивающую алканы, в то время как при щелочном pH, предпочитают реакцию окислительной депротонизации Гофер-Места, обеспечивающую алкены.
На этой стадии электросинтеза 13, ЛЖК, то есть карбоновые кислоты, имеющие короткие и средние углеродные цепи, для того, чтобы их можно было использовать, должны находиться в форме карбоксилатов. Это является причиной, почему низкий pH не только имеет тенденцию к снижению концентрации летучих жирных кислот в виде анионов, но также растворимости карбоновых кислот или ЛЖК со средней углеродной цепью. Значение pH можно регулировать с использованием, среди других соединений, соды, для того, чтобы поддерживать высокие концентрации карбоксилатов для проведения электролиза. В общем случае, нет необходимости использовать органические растворители, среда сбраживания является хорошим электролитом для стадии электросинтеза 13.
Органические растворители необходимы только для реагентов с низкой растворимостью в воде, таких как карбоновые кислоты или ЛЖК с длинными углеродными цепями. В последнем случае, растворителями на выбор могут быть метанол, этанол и изопропанол. В качестве альтернативы, из-за их низкой растворимости в водном растворе, эти карбоновые кислоты или ЛЖК с длинными углеродными цепями, могут быть легко отделены и сконцентрированы для проведения стадии электролиза во второй фазе, что приводит к высоким выходам электролитических продуктов.
В той мере, в какой это возможно, в необязательном варианте осуществления, применяют диафрагменную электролитическую ячейку, при этом продукты, образующиеся на аноде и на катоде, соответственно, могут быть легко разделены.
В качестве альтернативы, все соединения, полученные электросинтезом, могут быть восстановлены в одном контейнере и разделены или преобразованы в дальнейшем.
В качестве неограничивающего примера, однажды собранные, газообразные продукты 15, образованные после завершения электросинтеза 13, такие как водород, углекислый газ, алканы, алкены, могут быть сжаты и разделены путем газообразного сжижения, как указано выше по ссылке 8.
В другом варианте осуществления, стало возможным рассмотреть вопрос об использовании малопористых мембран в двойных электрохимических ячейках для того, чтобы разделить два электрода. Таким образом, электроды могут быть размещены очень близко друг к другу, с тем, чтобы не допустить формирования электрической дуги.
С другой стороны, продукты 14, полученные после завершения этой стадии электрохимического превращения представляют собой, среди прочего, смесь углеводородов, водорода и углекислого газа, которые не содержат загрязняющие вещества по сравнению с природными газами от нефтяной промышленности, среди других продуктов.
В варианте осуществления, с целью повышения выхода синтеза путем электролиза, применяют дополнительные способы, такие как, например, ультразвук, магнитные поля, переменный ток.
После завершения электросинтеза 13, непреобразованные остатки 16 ЛЖК снова запускают в процесс, в частности, на стадию 6, для проведения выделения (стадия 9) и/или проведения нового электросинтеза (стадия 13). Часть остатков 16 перерабатывают на стадии 17, то есть газифицируют, сжигают или преобразуют. Метаболиты сбраживания, такие как летучие жирные кислоты и остаточные субстраты из различных стадий сбраживания 5, выделения 9 или электросинтеза 13 метанизируют (стадия 17) с получением удобрений и улучшающих добавок, объединенных по ссылке 18, и биогаза 19. В способах промышленной экологии, указанную стадию метанизации 17 также применяют к фракции 20 остатков или несбраживаемым субстратам. Таким образом, энергию и тепло получают, как правило, путем когенерации. Данное получение энергии и тепла, по меньшей мере, частично, применяют для покрытия энергетических потребностей способа.
Таким образом, способ согласно изобретению, дает возможность получения, предпочтительно непрерывно и с высоким выходом, молекул на основе углерода, с минимальными потерями исходного органического углерода.
Следующие примеры иллюстрируют осуществление способа, который является объектом настоящего изобретения, с использованием различных субстратов и условий сбраживания.
Пример 1: Прерывистое сбраживание побочных продуктов скотобойни в биореакторе в нестерильном режиме
2
2
Ферментатор или биореактор с полезным объемом 5 л, содержащий анаэробную культуральную среду (0,5 г/л KHPO4, 0,5 г/л KHPO4, 1,0 г/л MgSO4, 0,1 г/л CaCl2, 1 мл/л гемина и 5 мл/л витаминов) с концентрацией 100 г/л смеси нестерилизованных отходов скотобойни (кровь, внутренности, каловые вещества, мясные обрезки, в соотношении 1/1/1/2) засевали, при температуре 38°C при перемешивании, консорциумом природных микроорганизмов из анаэробных экосистем, таких как бескислородная зона гипер-олиготрофного озера, такого как озеро Павен. За 1042 ч сбраживания выполнили девять процедур подпитки и 6 добавлений нестерильных субстратов на основе мяса (886 г сухого вещества в общем). В течение данного сбраживания проводили контроль метаболитов жидкой фазы и газовой фазы. Продукты сбраживания жидкой фазы контролировали и анализировали. По окончании сбраживания, сбраживаемая среда содержала 16 г/л общего количества летучих жирных кислот. Полученный выход составил 0,38 г от общего сухого вещества ЛЖК/г, добавленного в реактор. Этот пример следует рассматривать как стандартный контрольный тест, поскольку ни одно выделение и/или химический электросинтез до этого не выполнялись, для сравнения со способом, согласно изобретению.
Пример 2: Полунепрерывное сбраживание органических фракций бытовых отходов в биореакторе в нестерильном режиме.
Пример 1 повторяют с той же самой культуральной средой, но с применением субстрата, состоящего из способной к сбраживанию фракции бытовых отходов с концентрацией 50 г/л сухого вещества вместо отходов скотобойни. В дополнение, и в соответствии со способом по изобретению, выделения осуществляют на среде в процессе сбраживания. В данном описании, сбраживание идет в течение более 2000 часов, а несколько последовательных in situ выделений осуществляют в биореакторе. Выделение представляет собой тип жидкость-жидкость, при этом следует понимать, что летучие жирные кислоты всегда получают в жидкой фазе, и что растворителем, используемым в данном примере, является пентан. Указанные процедуры дают возможность, с одной стороны, снизить конечную концентрацию общего количества жирных кислот, например, выделение, где концентрация в реакторе изменяется от 26,8 г/л до 20,1 г/л от общего количества ЛЖК (снижение 23%), что делает возможным уменьшение кислотности среды и, таким образом, сохранение оптимальной активности консорциума М микроорганизмов. Выделение также позволяет восстанавливать летучие жирные кислоты, которые используют для различных химических синтезов, таких как получение сложных эфиров и амидов.
8
7
8
Указанные in situ процедуры выделения дают возможность продемонстрировать биосовместимость способа, другими словами последовательное восстановление метаболитов, которые представляют интерес с точки зрения энергетической и химической продуктивности, таких как летучие жирные кислоты, полученные из биомассы с помощью способа объединения стадий сбраживания и выделения. Данная биосовместимость характеризуется числом микроорганизмов на мл, присутствующих в биореакторе, которое определяют с применением аналитического способа проточной цитометрии. Диапазон этих результатов, например, между образцами, собранными до и после in situ выделения составляет от 2,3×10 до 8,0×10 микроорганизмов/мл в одной серии измерений, и от 2,9 до 2,3×10 микроорганизмов/мл в другой серии измерений. Данное наблюдение показывает, что существует снижение популяции микроорганизмов, присутствующих в биореакторе, после выделения летучих жирных кислот, но это снижение не приводит к массовому уничтожению микроорганизмов. Численность микроорганизмов является достаточной, в количественном и качественном соотношении, для сохранения активности микроорганизмов, и таким образом, происходит небольшая или вовсе отсутствует потеря активности сбраживания консорциума микроорганизмов.
В другом варианте осуществления, выделение можно осуществлять без необратимых воздействий, непосредственно в ферментаторе 4. Можно проводить сбраживание 5 в непрерывном режиме с выделением 9 ингибирующих метаболитов сбраживания, то есть путем выделения летучих жирных кислот, ответственных за ацидоз среды, постепенно, по мере их получения. В варианте осуществления, указанные выделения можно осуществлять во втором отсеке, при этом последний расположен в биореакторе 4.
Следующие тесты иллюстрируют стадию электросинтеза из летучих жирных кислот в качестве исходных веществ, следует понимать, что в ходе этих химических реакций, необходимо использовать указанные летучие жирные кислоты в карбоксилатной форме.
Пример А:
2
1М раствор ацетата натрия подвергали реакции электролиза с использованием графитовых электродов с плотностью тока 100 мА/см. Через 180 минут после начала реакции, было израсходовано 63% начальной концентрации ацетата. Метаболиты, полученные в газовой фазе, представляют собой водород (350 мл или 15 ммоль), углекислый газ (330 мл или 13,8 ммольС), метан (7 мл или 0,3 ммольС) и этан (30 мл или 2,51 ммольС). Метаболиты, полученные в жидкой фазе, представляют собой метилацетат (66 мг или 0,9 ммоль) и метанол (87 мг или 2,7 ммоль). Результат Смоль (Смоль. продукт/Смоль. субстрат) этой реакции составляет 0,9±0,1. Выходы водорода, углекислого газа, этана, метана, метилового эфира уксусной кислоты и метанола составляют 473 мл/г ацетата, 446 мл/г ацетата, 41 мл/г ацетата, 10 мл/г ацетата, 90 мг/г ацетат и 118 мг/г ацетата соответственно.
Пример В:
Пример А повторяют, но в качестве субстрата берут 1 М пропионат натрия. Через 180 минут было израсходовано 56% начальной концентрации пропионата. В газовой фазе получают водород, метан, углекислый газ, этан и бутан, и в жидкой фазе получают этанол и этиловый эфир пропионовой кислоты.
Также провели реакции амидирования:
Пример С: амидирование - ацетат
Реакцию амидирования осуществляют в установке с обратным холодильником с использованием смеси раствора уксусной кислоты биологического происхождения и раствора аммиака при стехиометрических условиях. Реакционную смесь нагревают при 80°C в течение 4-х часов, а затем излишки реагентов удаляют путем дистилляции. Продукт реакции перекристаллизовывают для получения ацетамида биологического происхождения. Выход реакции амидирования при данных условиях составляет 63%.
Пример D: амидирование - бутират
Пример С повторяют, но с раствором масляной кислоты биологического происхождения и при температуре 90°C.Через 5 часов и после перекристаллизации бутирамида биологического происхождения, выход реакции амидирования составляет 69%.
Пример Е: амидирование - смесь ЛЖК
Пример С повторяют, но со смесью летучих жирных кислот биологического происхождения (уксусная кислота, пропионовая кислота, масляная кислота, изомасляная кислота, изовалериановая кислота, валериановая кислота, изогексановая кислота, гексановая кислота, гептановая кислота, октановая кислота…) со стадии выделения, как описано в предыдущих примерах, при температуре 85°C. Через 6 ч, после удаления излишков реагентов путем дистилляции и после перекристаллизации амидов биологического происхождения, выход реакции амидирования составляет 74%. Полученные амиды биологического происхождения, представляют собой амиды, соответствующие карбоновым кислотам биологического происхождения, присутствующим в смеси (ацетамид, пропанамид, изобутирамид, бутирамид, изовалерамид, валерамид, изогексанамид, гексанамид, гептанамид и октанамид…).
Данные реакции амидирования, которые дают возможность получать, из летучих жирных кислот биологического происхождения, амидов биологического происхождения, также могут быть получены с замещенными аминами для получения вторичных и третичных амидов.
Также провели реакции этерификации.
Пример F: Этерификация смеси ЛЖК
Для того чтобы выполнить этерификацию, эквимолярную смесь летучих жирных кислот биологического происхождения, полученных после сбраживания и выделения (уксусная кислота, пропионовая кислота, масляная кислота, изомасляная кислота, изовалериановая кислота, валериановая кислота, изогексановая кислота, гексановая кислота, гептановая кислота, октановая кислота, фенилуксусная кислота, фенилпропионовая кислота) (2 мл) и этанола (1,51 мл) нагревают с обратным холодильником в течение 1 ч 15 мин. Серную кислоту (54 мкл) добавляют сначала к реакционной среде в качестве катализатора. В конце реакции, с помощью газовой хроматографии обнаруживают наличие сложных этиловых эфиров, соответствующих кислотам, присутствующим в исходной смеси, то есть, в данном примере: этиловый эфир уксусной кислоты, этиловый эфир пропионовой кислоты, этилизобутират, этилбутират, этиловый изопентаноат, этилпентаноат, этиловый изогексаноат, этилгексаноат, этилгептаноат, этилоктаноат, этилфенилацетат и этилфенилпропионат.Полученный выход преобразования карбоновых кислот в сложные эфиры составляет 69%.
Таким образом, показано, что метаболиты сбраживания, такие как ЛЖК, а именно в соответствии с примерами от А до F и, неограничивающим образом, уксусная кислота, пропионовая кислота, масляная кислота, изомасляная кислота, изовалериановая кислота, валериановая кислота, изогексановая кислота, гексановая кислота, гептановая кислота, октановая кислота, фенилуксусная кислота и фенилпропионовая кислота, могут быть легко использованы в качестве исходных веществ для конечных молекул, представляющих интерес с точки зрения экономической и/или энергетической продуктивности, при этом подразумевается, что данные метаболиты получают путем сбраживания.
Таким образом, один общий способ имеет различные стадии, которые могут осуществляться в шахматном порядке. Этот термин используют для обозначения стадий, которые можно повторять в разное время и/или в разных местах. Другими словами, способ предлагает большую адаптируемость и большую гибкость получения.
Выполнение такого способа включает не только наличие в установке по меньшей мере одного ферментатора, но и по меньшей мере одного экстрактора, подходящего для осуществления стадии выделения 9, и по меньшей мере одного устройства для синтеза, подходящего для осуществления стадии электросинтеза 13, или, в варианте осуществления, другой химической стадии. Эти устройства по существу известны, а также их количество и их размеры соответствуют типу получения.
Такая установка включает, предпочтительно, устройства для хранения субстрата 1 и/или продуктов стадий выделения и/или электросинтеза и других химических синтезов. Обеспечены средства регулирования и контроля, такие как датчики температуры, датчики pH.