PROCEDIMIENTO PARA FIJAR DIÓXIDO DE CARBONO MEDIANTE LA

UTILIZACIÓN DE UN CULTIVO DE CIANOBACTERIAS

SECTOR DE LA TÉCNICA

Medio Ambiente. El objeto de Ia presente invención es un proceso para fijar y eliminar dióxido de carbono (CO2), proveniente de emisiones de procesos industriales, mediante el cultivo de una cianobacteria fijadora de nitrógeno, halotolerante y capaz de producir un exopolisacárido (EPS).

ESTADO DE LA TÉCNICA

El dióxido de carbono o anhídrido carbónico (CO ₂ ), a pesar de ser un gas minoritario en Ia atmósfera terrestre (0,03%, v/v), constituye uno de sus componentes más importantes, ya que es sustrato en Ia fotosíntesis, por una parte, y principal producto de Ia respiración de los seres vivos y de Ia combustión de los productos energéticos por otra. Actualmente se registra un aumento del nivel de CO ₂ en Ia atmósfera, del que se hace responsable al incremento en Ia utilización de combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural), que puede conllevar un sobrecalentamiento de Ia superficie terrestre (efecto invernadero). Un importante problema que afecta al desarrollo económico de muchos países es su elevado nivel de emisiones de CO ₂ , Io que puede situarlos en una precaria situación en un futuro mercado de emisiones.

Para resolver estos problemas se hace necesario desarrollar e implantar nuevas tecnologías que permitan generar energía con menores niveles de emisión de CO ₂ , así como otras que permitan eliminar CO ₂ , reduciendo su nivel en los gases de escape generados industrialmente. El primer aspecto supone una sustitución tecnológica difícil de abordar a corto plazo por muchos países.

Respecto al segundo aspecto, se están llevando a cabo diversos estudios que consideran desde Ia fijación del CO ₂ por masas forestales a su retención en el mar, bolsas de gas o suelos petrocálcicos, haciéndose énfasis especial en diversas alternativas de aprovechamiento de Ia fijación fotosintética del CO ₂ .

De hecho, entre las diferentes opciones basadas en favorecer los sumideros naturales de CO ₂ , Ia fijación fotosintética de CO ₂ mediante el cultivo de microalgas y cianobacterias es, en principio, Ia alternativa más prometedora, ya que dichos microorganismos son los más efectivos fijadores de CO2 del planeta, con rendimientos más de cinco veces superiores a las plantaciones de maíz, constituyendo además uno de los grupos más versátiles de Ia biosfera. Asimismo, Ia naturaleza hidráulica de los cultivos facilita su manipulación, así como Ia instalación de los mismos contiguos a Ia propia fuente emisora de CO ₂ , mientras que, en general, el resto de los propuestos sumideros naturales de carbono solo fijan CO2 del liberado a Ia atmósfera, constituyendo contaminación difusa.

El cultivo de microorganismos fotosintéticos utiliza el CO2 como fuente de carbono, convirtiéndolo en carbono orgánico fijado en forma de los diferentes compuestos orgánicos que constituyen Ia biomasa, así como otros productos fotosintéticos que pueden liberar las células, tales como los polisacáridos. Una posible opción para el aprovechamiento de Ia biomasa y/u otros productos fotosintéticos generados mediante Ia fijación de CO2, es su aprovechamiento como fuente de energía, al ser materiales con considerable contenido energético o calor de combustión. Esta reutilización como combustible de los productos fotosintéticos supone un reciclaje de carbono y conlleva una paralela reducción en el consumo de combustibles fósiles.

La eficiencia y el éxito de Ia utilización de cultivos de microorganismos fotosintéticos para Ia fijación de CO ₂ dependen en gran medida del microorganismo seleccionado (especie, cepa, etc.), así como del sistema de producción empleado y de Ia optimización de los parámetros de cultivo. Adicionalmente han de considerarse las propiedades de los productos fotosintéticos generados y las posibilidades de su posterior aprovechamiento. Las emisiones de CO ₂ a Ia atmósfera constituyen un problema global. Sería conveniente desarrollar un sistema que elimine o al menos reduzca las emisiones de CO ₂ en las propias fuentes emisoras del contaminante, de manera eficiente, barata, sencilla y versátil, consiguiendo altas tasas de fijación

de CO2, y generando al mismo tiempo productos fotosintéticos con aplicaciones de interés.

Utilizando el alga verde Chlorococcum littorale se ha conseguido fijar cerca de 1 g de CO ₂ por litro y día en recipientes de 20 I de capacidad (Kurano N, lkemoto H, Miyashita H, Hasegawa T, Hata H and Miyachi S (1995). Fixation and utilization of carbón dioxide by microalgal photosynthesis. Energy Convers. Management 36 (6-9), 689 -692). Con Ia tecnología que aquí se propone se puede conseguir valores de fijación de CO ₂ comprendidos entre 2 y 6 g CO2 por litro y día.

La patente norteamericana WO0205932 "Photosynthetic carbón dioxide mitigation", utiliza cianobacterias termófilas (Cyanidium caldarium) inmovilizadas sobre membranas, empleando un sistema de energía híbrida para su iluminación (convierten Ia luz solar en electricidad mediante placas fotovoltaicas y suministran luz de 400-700 nm de longitud de onda a las células). El producto de fijación del CO ₂ es Ia biomasa, sin considerar Ia producción de otros compuestos. La biomasa producida debe ser retirada con asiduidad de las membranas mediante un complejo sistema de limpieza, Io que redunda negativamente en Ia economía y rendimiento del proceso, dificultando asimismo su escalado.

En Ia presente invención, el principal producto de Ia fijación de CO ₂ es un polisacárido que las células excretan al medio. Dicho exopolisacárido (EPS) posee propiedades que Ie confieren interés práctico para una diversidad de aplicaciones industriales (Bender J, Rodríguez-Eaton S, Ekanemesang UM and Phillips P (1994). Characterization of metal-binding bioflocculants produced by the cyanobacterial component of mixed microbial mats. Appl Environ Microbiol 60, 2311-2315); De Philippis R and Vicenzini M (1998). Exocellular polysaccharides from cyanobacteria and their possible applications. FEMS Microbiology Reviews 22, 151-175; Flaibani A, Olsen Y and Painter TJ (1989). Polysaccharides in desert reclamation: Compositions of exocellular proteoglycan complexes produced by filamentous blue-green edaphic algae. Carbohydr Res 190, 235-248; Sutherland IW (1996). Extracellular

polysaccharides. En: Biotechnology, VCH, Weinheim (Rehm, HJ and Reed, G eds.) vol 6, 615-657). Este sistema utiliza directamente luz solar para el desarrollo de Ia fijación de CO ₂ y permite su fácil escalado.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Tal como se ha mencionado previamente, sería conveniente disponer de un procedimiento de fijación de CO ₂ capaz de reducir Ia concentración de este gas en Ia atmósfera, acoplado a Ia generación de un producto orgánico susceptible de aprovechamiento. La presente invención describe un procedimiento para fijar CO ₂ mediante Ia utilización de un cultivo de microorganismos fotosintéticos acoplado a Ia producción de un exopolisacárido, que posee considerable calor de combustión y otras propiedades que Ie confieren interés práctico.

Por tanto, en un aspecto, Ia invención se relaciona con dicho procedimiento para fijar CO ₂ que comprende las siguientes etapas: a- cultivar un microorganismo fotosintético en un sistema adecuado. b- suministrar al cultivo CO ₂ u otra forma inorgánica de carbono derivada de él, tal como bicarbonato ( HCO ₃ ) y/o carbonato CCO ₃ ), a concentraciones elevadas, y c- recoger los productos de Ia fijación del CO ₂ y de otras formas de carbono inorgánico de él derivadas (bicarbonato, carbonato), generados por dicho cultivo.

El microorganismo cultivado es una cianobacteria fijadora de N ₂ , halotolerante, que fotosintetiza un exopolisacárido que excreta al medio. Esta cianobacteria puede ser cultivada en sistemas abiertos o cerrados. El suministro de CO ₂ (en concentraciones elevadas, y siempre superiores a las naturales atmosféricas) puede realizarse directamente en forma de gas o tras su solubilización en un líquido (como tal CO ₂ , como bicarbonato o carbonato) que sería empleado como medio de cultivo. El CO ₂ en concentración elevada puede provenir de plantas de generación de electricidad, de cementeras o de plantas industriales que desarrollen procesos generadores de CO ₂ .

Como uno de los productos fotosintéticos mayoritarios de Ia fijación de carbono inorgánico (CO ₂ , bicarbonato, carbonato) mediante el cultivo de estas cianobacterias se obtiene un exopolisacárido (EPS) que se libera al medio.

Dicho polisacárido, dadas sus propiedades energéticas, puede ser utilizado como biocombustible, bien en Ia propia planta que generó el CO ₂ contaminante o bien en otras instalaciones.

En una realización particular se utiliza Ia especie Anabaena, y preferentemente Ia cepa Anabaena sp. ATCC 33047, que produce un EPS que posee un calor de combustión similar al del carbón o Ia madera, de al menos 14 kJ/g.

El procedimiento de Ia presente invención presenta una alta tasa de fijación de CO ₂ y producción de exopolisacárido, pudiendo, en el caso de Anabaena, generar al menos 1 ,3 g de polisacárido además de, al menos, 0,4 g de biomasa por litro y día y fijar 1 ,6 kg de CO ₂ por cada kg de polisacárido producido.

En otro aspecto, Ia invención se relaciona por tanto con Ia utilización de dicho procedimiento para reducir o eliminar las emisiones de CO ₂ producidas por centrales de generación eléctrica y una diversidad de procesos industriales, pero también, por otra parte, el uso de sus productos como biocombustible posibilita reducir el consumo de combustibles fósiles.

La invención se relaciona además con Ia utilización del polisacárido generado a partir de Ia fijación de CO ₂ por Anabaena, como agente emulsificante, estabilizante o espesante en industria alimentaria, textil, de pinturas, papelera, cosmética y farmacéutica.

Dicho polisacárido también puede ser utilizado para Ia adsorción, concentración, o eliminación de metales (pesados) en aguas residuales de diversa procedencia (urbanas, industria pesada, minería, etc.), así como para el

acondicionamiento y recuperación de suelos para uso agrícola. Igualmente, el EPS puede ser utilizado como agente antiviral, o como sustrato de procesos fermentativos.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

En un aspecto, Ia invención se relaciona con un procedimiento para fijar CO2 mediante Ia utilización de un cultivo de microorganismos fotosintéticos, en adelante procedimiento de Ia invención, que comprende las siguientes etapas: a) cultivar dicho microorganismo en un sistema adecuado b) suministrar al cultivo CO2 u otra forma inorgánica de carbono derivada de él, tal como bicarbonato ( HCO ₃ ) y/o carbonato CCO ₃ ), a concentraciones elevadas, y c) recoger los productos de Ia fijación del CO ₂ y de otras formas de carbono inorgánico de él derivadas (bicarbonato, carbonato), generados por dicho cultivo, siendo el microorganismo cultivado cualquier cianobacteria fijadora de nitrógeno, halotolerante, y capaz de producir un exopolisacárido (EPS) que se excreta al medio.

El procedimiento de Ia invención contempla que el cultivo del microorganismo seleccionado pueda realizarse tanto en sistemas abiertos como cerrados. El cultivo de microorganismos en sistema abierto es más económico, pero en contrapartida permite escaso control de parámetros importantes para Ia adecuada marcha del proceso. Los sistemas de cultivo cerrado permiten un mejor y más estricto control de las condiciones de operación del cultivo, que redunda en productividades superiores y productos de mayor calidad, pero se trata de sistemas más sofisticados y más caros. En una realización particular de Ia invención se utilizó un sistema de cultivo cerrado, concretamente un fotobiorreactor tubular cerrado, colocado a Ia intemperie. En otra realización particular de Ia invención se constató Ia viabilidad del cultivo, a Ia intemperie, en estanques abiertos de 1 y 10 m ² de superficie.

El aporte de carbono inorgánico a concentraciones elevadas mencionado en el punto b) del procedimiento de Ia invención se efectúa bien directamente en forma de CO ₂ gas o bien tras su solubilización en un líquido (como tal CO ₂ , bicarbonato y/o carbonato) que posteriormente se utiliza como medio de cultivo del microorganismo. La concentración de CO ₂ inicial suministrada al cultivo, en todos los casos es superior a Ia atmosférica, 0,03% (v/v). La fuente emisora de dicho CO ₂ puede seleccionarse entre una planta de generación de electricidad, una cementera, o una planta de procesos industriales, entre otras. En una realización particular de Ia invención se suministra el CO ₂ en forma de gas, el cual se inyecta a un fotobiorreactor tubular cerrado a través de sus válvulas de entrada de gases. En otra realización particular de Ia invención sería posible suministrar el CO ₂ fijado en agua de mar que se utilizaría posteriormente como medio de cultivo. La utilización de agua de mar no repercutiría negativamente en el crecimiento del microorganismo puesto que se trata de una cepa halotolerante.

Mediante el procedimiento de Ia invención y como consecuencia de Ia fijación de CO ₂ , se obtienen diversos productos fotosintéticos, de los que al menos uno es un exopolisacárido (EPS), pudiendo llegar a constituir este EPS el producto fotosintético mayoritario.

En una realización particular de Ia invención, el microorganismo cultivado pertenece a Ia especie Anabaena, en concreto Ia cepa Anabaena sp. ATCC 33047. Esta estirpe, Anabaena sp. ATCC 33047, posee elevada tasa de crecimiento, incluso a elevada densidad de población, tolera amplios intervalos de pH, temperatura, irradiancia y concentración de sales, presenta capacidad de fijar nitrógeno (por Io que no necesita aporte de fertilizante nitrogenado y se reduce el riesgo de contaminaciones), alta productividad y elevada eficiencia para Ia fijación de CO ₂ , siendo de fácil recolección (Moreno J, Vargas MA, Olivares H, Rivas J and Guerrero MG (1998). Exopolysaccharide production by the cyanobacterium Anabaena sp. ATCC 33047 in batch and continuous culture. J Biotechnol 60, 175-182; Moreno J, Vargas MA, Madiedo JM, Muñoz J, Rivas J and Guerrero MG (2000). Chemical and rheological properties of an extracellular polysaccharide produced by the cyanobacterium Anabaena sp.

ATCC 33047. Biotechnol Bioeng 67, 283-290). Especialmente destacable es su elevada tasa de generación de EPS, que es aún mayor en condiciones de estrés, llegando a mostrar una productividad de EPS al menos 3 veces superior a Ia de generación de biomasa. Estas características hacen a esta cianobacteria una candidata idónea para su empleo en Ia biofijación efectiva del CO ₂ presente en gases de escape o en otras fuentes contaminantes emisoras de este gas.

Dicho EPS producido por Ia especie Anabaena posee un calor de combustión similar al de Ia madera o el carbón. En una realización particular de Ia invención, el calor de combustión de dicho EPS es de al menos 14 kJ/g.

El procedimiento de Ia invención proporciona un mecanismo eficaz y eficiente de fijación de CO ₂ , acoplado a Ia producción de un EPS susceptible de ser aprovechado. En una realización particular de Ia invención se obtuvieron al menos 1 ,3 g por litro y día de polisacárido además de al menos 0,4 g de biomasa por litro y día. En otra realización particular se verificó Ia fijación de 1 ,6 kg de CO ₂ por cada kg de polisacárido producido. En otra realización particular de este procedimiento se fijaron entre 2 y 6 g de CO ₂ por litro y día.

En otro aspecto, Ia invención se relaciona con Ia utilización del procedimiento para reducir o eliminar emisiones de CO ₂ que proceden de procesos industriales, preferentemente de las centrales de generación de electricidad, y para reducir el consumo de combustibles fósiles en aquellos procesos industriales que los utilizan, mediante su sustitución por productos de fijación de CO ₂ obtenidos en dicho procedimiento.

Tanto Ia biomasa o material celular, como el EPS generado mediante este proceso, utilizando cultivos de Ia especie Anabaena, como Ia mezcla de biomasa y EPS, pueden ser utilizados para diversos fines, siendo una de sus posibles aplicaciones su combustión para Ia generación de calor o electricidad, ya que tanto Ia biomasa como el EPS poseen considerable calor de combustión (igual o superior a 14 kJ/g). Por Io tanto, en otro aspecto, Ia invención se relaciona con Ia utilización del EPS obtenido, como biocombustible. En una

realización particular de Ia invención el EPS obtenido se podría utilizar como biocombustible en Ia misma planta generadora de las emisiones contaminantes de CO ₂ .

Los EPS producidos por los microorganismos pueden tener aplicaciones en Ia industria agroalimentaria y/o farmacéutica (Sutherland IW (1996) Extracellular polysaccharides. En: Biotechnology VCH, Weinheim (Rehm HJ and Reed G eds.), vol 6, 615-657). Los polisacáridos aniónicos son de utilidad para Ia detección, adsorción, concentración y/o eliminación de iones metálicos de aguas residuales (Bender J, Rodríguez-Eaton S, Ekanemesang UM and Phillips P (1994). Characterization of metal-binding bioflocculants produced by the cyanobacterial component of mixed microbial mats. Appl Environ Microbiol 60, 2311-2315; Bertocchi C, Navarini L and Cesara A (1990). Polysaccharides from cyanobacteria. Carbohydr Polym 12, 127-153). Igualmente, los EPS pueden utilizarse para inducir Ia floculación de partículas sólidas en el tratamiento de aguas residuales urbanas, así como en el acondicionamiento y recuperación de suelos para uso agrícola (Flaibani A, Olsen Y and Painter TJ (1989). Polysaccharides in desert reclamation: Compositions of exocellular proteoglycan complexes produced by filamentous blue-green edaphic algae. Carbohydr Res 190, 235-248). Algunos polisacáridos de microorganismos, especialmente de los de tipo fotoautotrófico poseen actividad antiviral (Yim JH, Kim SJ, Ahn SH, Lee ChK, Rhie KT and Lee HK (2004). Antiviral Effects of Sulphated Exopolysaccharide from the Marine Microalga Gyrodinium impudicum Strain KG03. Mar Biotechnol 6, 17-25). Por tanto, otro aspecto de Ia invención se relaciona con Ia utilización del EPS generado a partir de los cultivos de Ia especie Anabaena como agente emulsificante, estabilizante o espesante en industria alimentaria, textil, de pinturas, papelera, cosmética y/o farmacéutica, así como su utilización para Ia concentración y/o eliminación de metales en aguas residuales de diversa procedencia (urbanas, industria pesada, minería, etc.). Asimismo Ia invención se relaciona con el empleo de este EPS en el acondicionamiento y recuperación de suelos para uso agrícola, como potencial agente antiviral y como sustrato de procesos fermentativos.

El siguiente ejemplo sirve para ilustrar Ia invención y no debe ser considerado con fines limitativos de Ia misma.

EJEMPLO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

CULTIVO DE Anabaena sp. EN FOTOBIORREACTOR TUBULAR CERRADO

En esta realización particular de Ia invención se ha seleccionado Ia cianobacteria fijadora de N ₂ Anabaena sp. ATCC 33047, teniendo en cuenta sus especiales características de eficiencia fijadora de CO ₂ y su alta productividad.

El cultivo de Anabaena sp. ATCC 33047 se llevó a cabo a Ia intemperie en un fotobiorreactor tubular cerrado, siendo Ia fuente de iluminación Ia luz solar. Dicho sistema consta de un módulo de captación de luz solar constituido por tubos de material transparente (plexiglás rígido) de 24 mm de diámetro interno y 30 mm de diámetro externo y una longitud total de 90 m, situados horizontalmente en paralelo y conectados entre sí por medio de piezas en forma de "u" del mismo material, con una superficie fotosintéticamente activa de 2,2 m ² y 55 I de volumen útil. Dos bolas de caucho de diámetro ligeramente inferior al diámetro interior de los tubos circulan para evitar el depósito de células en las paredes de los mismos. Estos tubos se encuentran sumergidos en agua, que actúa como elemento termostatizador del cultivo, en un baño de dimensiones 1 ,8x6,0x0,15 m, provisto de circuito cerrado de circulación con elementos calefactores y enfriadores. En este sistema de cultivo, Ia suspensión celular se agita y se hace circular a través de los tubos por Ia impulsión de aire estéril a presión generado por un compresor (air-lift). El sistema tubular termina en un cilindro de 52 cm de alto por 26 cm de diámetro externo, situado a 2,8 m de altura desde Ia horizontal del reactor. En Ia tapa de este cilindro existen varios orificios para: salida de gas (protegido por un filtro de 0,22 μm), entrada para llenado rápido del reactor, entrada de medio fresco para operar en cultivo continuo y sensor de nivel. En Ia parte inferior del cilindro se encuentran

además las sondas de pH y temperatura. Estas sondas se conectan con una unidad de control.

Se procedió a Ia introducción en el sistema de cultivo de una suspensión de células de Anabaena sp. ATCC 33047 con una concentración de clorofila comprendida entre 5 y 10 mg por litro de cultivo. Dicha suspensión se mantuvo en circulación a una velocidad comprendida entre 0,2 y 0,4 m s ^"1 por un periodo de 72 horas, durante el que se mantiene el cultivo en régimen estanco, con control de temperatura, máxima de 35 °C durante el día y de 18 °C durante Ia noche, y sometido a una irradiancia solar. Transcurridas las 72 horas, el cultivo se somete a régimen continuo, con adición continuada de medio de cultivo fresco (que cubre todos los requerimientos nutricionales del microorganismo) durante el periodo de luz. La suspensión celular se mantiene circulando por los tubos durante 45 días.

Durante el proceso, el valor del pH se mantiene entre 8,0 y 8,5 mediante Ia inyección de CO2 a través de una electroválvula regulada por un controlador de pH. El CO2 se inyecta en Ia zona horizontal del tubo de retorno de Ia suspensión celular hacia el módulo de captación de luz. El consumo fotosintético de CO ₂ por las células de Ia cianobacteria provoca una elevación del pH del medio, que al superar el valor de 8,5 dispara Ia inyección de una corriente de CO ₂ gas puro, con Io que se acidifica el medio, deteniéndose Ia inyección de CO ₂ una vez que se recupera el valor de pH 8,0.

Manteniendo el cultivo en el sistema y condiciones anteriormente señaladas, Ia concentración de exopolisacárido en el medio alcanzó valores de hasta 8 g por litro, con una productividad de EPS de hasta 4 g por litro y día. La recogida de Ia suspensión enriquecida con el EPS generado y Ia biomasa que Io acompaña se realiza de manera continua durante el periodo de luz a un flujo de aproximadamente 2 litros por hora.