BR112019000137B1 - Processos e sistemas de síntese de amônia - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a sistemas e processos para produção de amônia. Em uma concretização, hidrogênio, dióxido de carbono e nitrogênio são dissolvidos em uma solução. Um inibidor de glutamina sintetase e bactérias diazotróficas autotróficas também são colocadas na solução.

Description

Direitos de Licença de Governo

[0001] A presente invenção foi realizada com suporte do governo sob a concessão N00014-11-1-0725 proporcionada pelo Office of Naval Research Multidiscipolinary University Research Initiative, e Concessão FA9550-09-1-0689 proporcionada por The Air Force Office of Scientific Research. O governo tem certos direitos na invenção.

Campo

[0002] Concretizações mostradas são relacionadas à síntese de amônia.

Antecedentes

[0003] Devido a seu uso em grande escala na agricultura, a redução de N2 em NH3 é essencial na manutenção de ciclo de nitrogênio geoquímico global e a sustentabilidade da população humana. O processo mais comum para produção de quantidades em escala industrial de NH3 é o processo industrial Haber-Bosch. O processo Haber-Bosch é eficiente e pode ser posto em escala. Entretanto, este processo consome grandes volumes de gás natural como estoque de alimentação, opera em alta temperatura e pressão, e baseia-se em uma produção centralizada e subsequentemente transporte para distribuição de NH3.

Sumário

[0004] Em uma concretização, um processo para produção de amônia inclui: dissolução de hidrogênio em uma solução; dissolução de dióxido de carbono na solução; dissolução de nitrogênio na solução; colocação de um inibidor de glutamina sintetase na solução; e colocação de bactérias diazotróficas autotróficas na solução .

[0005] Em uma outra concretização, um sistema para produção de amônia inclui uma câmara de reator com uma solução ali contida. A solução inclui hidrogênio dissolvido, dióxido de carbono dissolvido, nitrogênio dissolvido, um inibidor de glutamina sintetase, e bactérias diazotróficas autotróficas.

[0006] Deve ser apreciado que os conceitos anteriores, e adicionais conceitos discutidos abaixo, podem ser arranjados em qualquer combinação apropriada, na medida em que a presente exposição não é limitada neste sentido. Ainda, outras vantagens e novas características da presente exposição tornar-se-ão aparentes a partir da seguinte descrição detalhada de várias concretizações não limitantes quando considerada em conjunção com as figuras acompanhantes.

Breve Descrição de Desenhos

[0007] Os desenhos acompanhantes não são pretendidos serem desenhados em escala. Nos desenhos, cada componente idêntico ou aproximadamente idêntico que é ilustrado em várias figuras pode ser representado por um numeral semelhante. Para propósitos de clareza, nem todo componente pode ser marcado em todo desenho. Nos desenhos:

[0008] a Figura 1 é um esquema de síntese de amônia distribuída em condições ambientes dentro de um reator;

[0009] a Figura 2 é um gráfico de redução de N2 usando o sistema catalisador CoPi I Co-P I X. autotrophicus com OD600, a quantidade de carga passada através, a concentração de teor total de nitrogênio (Ntotal), e teor de nitrogênio solúvel (Nsolúvel) plotados versus tempo;

[0010] a Figura 3 é um gráfico de mudança de Ntotal e OD600 sob diferentes condições;

[0011] a Figura 4 é um gráfico de voltametria de exploração linear (linha, 10 mV/s) e cronoamperimetria (círculo, média 30 minutos) de catodo Co-P HER em meio X. autotrophicus, iR corrigido;

[0012] a Figura 5 é um diagrama esquemático de produção de NH3 em meios extracelulares; e

[0013] a Figura 6 é um gráfico de OD600, a quantidade de carga passada através, a concentração de teor de nitrogênio total (Ntotal) e teor extracelular de NH3/NH4+ (NH3) plotado contra tempo.

Descrição Detalhada

[0014] Diferente de processos de produção mais tradicionais, síntese de NH3 catalítica a partir de N2 foi reportada com complexos de metais de transição, eletrocatalisadores, fotocatalisadores, nitrogenase, e diazotrofos heterotróficos. Entretanto, estas abordagens tipicamente provêm limitadas quantidades de materiais processados e usam compostos químicos sacrificiais como redutores. Consequentemente, os inventores reconheceram que pode ser desejável permitir uma síntese de NH3 seletiva a partir de N2 e H2O em condições ambientes, que também pode ser integrada com diferentes formas de energia incluindo fontes de energia renovável. Possíveis benefícios associados com uma tal abordagem de produção podem incluir permissão de produção no local e desenvolvimento de amônia enquanto também reduzindo emissões de CO2 como comparado a processos de produção mais tradicionais.

[0015] Em vista do acima, os inventores reconheceram os benefícios associados com uso de um arranjo baseado em reator incluindo uma solução com um ou mais tipos de bactérias que inclui uma ou mais enzimas úteis na produção de amônia. Especificamente, em uma concretização, um sistema para produção de amônia pode incluir um reator com uma câmara contendo uma solução. A solução pode incluir hidrogênio dissolvido, dióxido de carbono, e nitrogênio assim como um inibidor de glutamina sintetase na solução. A solução também pode incluir uma ou mais formas de bactérias diazotróficas autotróficas na solução. Durante uso, as bactérias diazotróficas autotróficas metabolizam compostos dentro da solução para produzir amônia. Especificamente, as bactérias podem incluir nitrogenase, tal como RuBisCO, e enzimas hidrogenase que utilizam nitrogênio, dióxido de carbono, e hidrogenase para formar a desejada amônia. Apropriadas bactérias diazotróficas autotróficas incluem Xanthobacter autotrophicus, Bradyrhizobium japonicum, ou quaisquer outras bactérias apropriadas capazes de metabolizarem os compostos notados para produção de amônia.

[0016] Dependendo da concretização, um inibidor pode ser incluído em uma solução para pelo menos parcial mente prevenir a absorção de amônia na biomassa das bactérias. Assim, pelo menos uma porção da amônia produzida pelas bactérias pode ser excretada na solução para subsequente coleta. Em uma concretização específica um inibidor de glutamina sintetase (GS) tal como glufosinato (PPT), metionina sulfoximina (MSO), ou qualquer outro inibidor apropriado pode ser usado.

[0017] Em algumas concretizações, uma solução colocada na câmara de um reator pode incluir água com um ou mais solventes adicionais, compostos, e/ou aditivos. Por exemplo, a solução pode incluir: sais inorgânicos tais como fosfatos incluindo fosfatos de sódio e fosfatos de potássio; suplementos de metais em traços tais como ferro, níquel, manganês, zinco, cobre, e molibdênio; ou qualquer outro componente apropriado em adição aos gases dissolvidos notados acima. Em uma tal concretização, um fosfato pode ter uma concentração entre 9 e 50 mM.

[0018] As concentrações notadas acima de gases dissolvidos podem ser controladas em qualquer número de maneiras incluindo gases borbulhando através da solução, geração de gases dissolvidos dentro de solução (por exemplo, eletrólise), ou qualquer outro processo apropriado de controle de concentração de gás dissolvido dentro de solução. Adicionalmente, os vários processos de controle de concentração tanto podem ser operados em um modo de estado estável com parâmetros de operação constantes, e/ou uma concentração de um ou mais dos gases dissolvidos pode ser monitorada para permitir um processo de retroalimentação para ativamente mudar as concentrações, taxas de geração, ou outro parâmetro apropriado para mudar a concentração de gases dissolvidos para estar dentro de faixas desejadas notadas acima. Monitoramento das concentrações de gases pode ser feito em qualquer maneira apropriada incluindo monitoramento de pH, medidores de oxigênio dissolvido, cromatografia de gás, ou qualquer outro processo apropriado.

[0019] Em algumas concretizações, hidrogênio pode ser provido para uma solução usando a eletrólise de água, isto é, separação de água. Dependendo da particular concretização, uma fonte de energia pode ser conectada a um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo que são pelo menos parcialmente imersos em uma solução dentro de uma câmara de reator. A fonte de energia pode corresponder a qualquer fonte apropriada de corrente elétrica que é aplicada aos eletrodos. Entretanto, em pelo menos uma concretização, a fonte de energia pode corresponder a uma fonte de energia renovável tal como uma célula solar, turbina de vento, ou qualquer outra fonte apropriada de corrente embora concretizações nas quais uma fonte de energia não renovável é usada também são contempladas. Em qualquer caso, uma corrente da fonte de energia é passada através de eletrodos e solução para liberar hidrogênio e oxigênio. A corrente pode ser controlada para produzir a desejada quantidade de hidrogênio e/ou oxigênio em uma desejada taxa de produção. Em uma concretização, os eletrodos podem ser revestidos com, ou formados de, um catalisador de separação de água para ainda facilitar separação de água e/ou reduzir a voltagem aplicada à solução. Por exemplo, os eletrodos podem ser fabricados de um ou mais de uma liga de cobalto - fósforo, fosfato de cobalto, óxido de cobalto, hidróxido de cobalto, oxidróxido de cobalto, ou qualquer outro material apropriado. Em uma concretização específica, o primeiro e segundo eletrodos podem corresponder a um catodo incluindo uma liga de cobalto - fósforo e um anodo incluindo fosfato de cobalto. Entretanto, concretizações nas quais outros tipos de anodos e/ou catodos são usados também são contempladas na medida em que a exposição não é assim limitada.

[0020] Em exemplos onde um anodo e/ou catodo baseado em fósforo é usado, tal como uma liga de cobalto - fósforo e/ou fosfato de cobalto, um tampão fosfato pode ser incluído na solução. Apropriados fosfatos incluem, mas não são limitados a, fosfatos de sódio e fosfatos de potássio. Sem desejar ser preso por teoria, é acreditado que durante eletrólise da água, fósforo e/ou cobalto é extraído dos eletrodos. O potencial de redução de cobalto lixiviado é tal que formação de fosfato de cobalto a partir de fosfato disponível na solução é energeticamente favorecida. Fosfato de cobalto formado em solução então deposita sobre o anodo em uma taxa linearmente proporcional a fosfato de cobalto livre, provendo um processo de auto- cura para os eletrodos. Uma concentração de fosfato pode estar entre 9 e 50 mM embora outras concentrações também possam ser usadas na medida em que a exposição não é assim limitada.

[0021] Em concretizações onde hidrogênio é produzido usando eletrólise de água, uma voltagem aplicada a um par de eletrodos imersos em uma solução pode ser limitada para estar entre primeiro e segundo limites de voltagem. Em uma tal concretização, a voltagem aplicada aos eletrodos pode ser maio r que ou igual a cerca de 1,8 V, 2 V, 2,2 V, 2,4 V, ou qualquer outra voltagem apropriada. Adicionalmente, a voltagem aplicada pode ser de menos que ou igual a cerca de 3 V, 2,8 V, 2,6 V, 2,4 V, ou qualquer outra voltagem apropriada. Combinações das faixas de voltagem notadas acima são contempladas incluindo, por exemplo, uma voltagem aplicada a um par de eletrodos que está entre 1,8 V e 3 V. Entretanto, deve ser entendido que voltagens maiores que e menores que aquelas notadas acima, assim como diferentes combinações das faixas acima, também são contempladas na medida em que a exposição não é assim limitada. Por exemplo, é imaginado que outros catalisadores que permitam uma voltagem de separação de água mais próxima da voltagem de separação ideal de 1,23 V também podem ser usados.

[0022] Como notado previamente, em algumas concretizações, um fluxo de gás pode ser introduzido para uma solução contida em uma câmara de reator para dissolver uma desejada razão de gases na solução. Por exemplo, em uma concretização, um sistema pode incluir uma ou mais fontes de gases que são fluidamente conectadas a uma ou mais entradas de gases associadas com a câmara. As entradas de gás são dispostas para borbulharem o gás através de solução. Por exemplo, uma válvula de uma via pode ser fluidamente conectada a uma entrada para o fundo da câmara, um tubo conectado a uma fonte de gás pode ter uma extremidade imersa na solução dentro da câmara, ou o sistema pode usar qualquer outro arranjo apropriado para introduzir os gases para a solução . Assim, quando uma fonte de gás provê um fluxo pressurizado de gás para a câmara, o gás é introduzido na solução onde ele borbulha na solução dissolvendo pelo menos uma porção do gás ali.

[0023] Embora uma fonte de gás possa corresponder a qualquer apropriado tipo de gás, em uma concretização, uma fonte de gás pode prover um ou mais de hidrogênio, nitrogênio, dióxido de carbono, e oxigênio. Adicionalmente, um fluxo total de gases provido por uma ou mais fontes de gases para uma solução dentro de uma câmara de reator pode ter qualquer apropriada composição de gases. Entretanto, em uma concretização, um fluxo de gás pode conter entre 10 e 99,46% de nitrogênio, 0,04 e 90% de dióxido de carbono, e/ou 0,5% e 5% de oxigênio. É claro concretizações nas quais uma diferente mistura de gases é borbulhada através de uma solução incluindo diferentes gases e/ou diferentes concentrações maiores que e menores que aquelas notadas acima também são contempladas na medida em que a exposição não é assim limitada.

Exemplos

[0024] Um reator usado nos experimentos incluiu um sistema catalisador de separação de água biocompatível incluindo um catodo de liga cobalto - fósforo (Co-P) para a reação de evolução de hidrogênio (HER) e um anodo de fosfato de cobalto para (CoPi) para a reação de evolução de oxigênio (OER). Este sistema permitiu o uso de uma baixa voltagem de acionamento (Eappl) enquanto produzindo o desejado hidrogênio para uso em produção de amônia. Especificamente, síntese de NH3 a partir de N2 e H2O foi realizada usando o sistema de separação de água e dirigindo a reação de redução de N2 dentro de microorganismos autotróficos, oxidantes-H2. Neste caso, foi usada Xanthobacter autotrophicus (X. autotrophicus). X. autotrophicus é uma bactéria gram-negativa que pertence a um pequeno grupo de diazotrofos, que em condição microaeróbica (menos que cerca de 5% de O2) pode usar H2 como sua única fonte de energia para fixar CO2 e N2 em biomassa. Por isso, nesta estrutura experimental, separação eletroquímica de água gerou H2 como a fonte de energia biológica e no mesmo reator X. autotrophicus atuou como o catalisador de reação de redução de N2 em temperatura ambiente para converter H2 e N2 em NH3.

[0025] A Figura 1 mostra um esquema da estrutura experimental incluindo um reator de câmara simples que abriga eletrodos imersos em uma solução de água. Os eletrodos incluíram um catodo Co-P para a reação de evolução de hidrogênio e um na odo de CoPi para a reação de evolução de oxigênio. Uma mistura de gases incluindo 2% de O2, 20% de CO2 e 78% de N2 foi borbulhada através de solução em uma taxa de fluxo maior que ou igual a 5 mL / minuto para manter um ambiente microaeróbico.

[0026] Durante os experimentos, uma voltagem constante (Eappl) foi aplicada entre os eletrodos OER e HER para separação de água. As hidrogenases (H2ases) de X. autotrophicus oxidaram o H2 gerado, fornecendo combustível para redução de CO2 no ciclo Calvin e fixação de N2 por nitrogenases (N2ases). Cada quantidade processada de redução de N2 rende duas moléculas de NH3 e uma de H2, a última das quais pode ser reciclada pelas hidrogenases. NH3 gerado é tipicamente incorporado em biomassa, mas também pode difundir extracelularmente como um resultado de acumulação para inibição de anabolismo de NH3 (caminho 2) como descrito previamente.

[0027] No início de cada experimento, X. autotrophicus foi inoculada no meio mínimo livre de orgânico sem qualquer suplemento de nitrogênio. Uma voltagem de acionamento constante (Eappl = 3,0 V) foi aplicada ao sistema catalisador CoPi I Co-P, e alíquotas foram periodicamente amostradas para a quantificação de biomassa (densidade ótica em 600 nm, OD600) assim como nitrogênio fixado (ensaio colorimétrico).

[0028] O sistema híbrido CoPi I Co-P I X. autotrophicus usou eletricidade para reduzir N2, assim como CO2, em biomassa sem reagentes sacrificiais. A Figura 2 apresenta um gráfico de OD600, a quantidade de carga passada através, a concentração de teor de nitrogênio total (Ntotal), e teor de nitrogênio solúvel (Nsolúvel) plotados versus a duração dos experimentos. A OD600 em um experimento de fermentação-H2 (“H2jar”) também foi plotada como uma comparação. As barras de erro no gráfico representam erro padrão da média (SEM) com n ≥ 3. Como mostrado na figura, a quantidade de carga passada em separação de água foi proporcional a acumulação de biomassa (OD600) assim como o teor de nitrogênio total no meio (Ntotal) durante os 5 dias de experimento.

[0029] A Figura 3 apresenta a mudança de Ntotal e OD600 sob diferentes condições experimentais durantes os experimentos de 5 dias. Como visto na figura, o nitrogênio fixado foi assimilado em biomassa, na medida em que não houve mudança no teor de nitrogênio solúvel extracelular (Nsolúvel), 72+/-5 mg/L de Ntotal, asswim como 553+/-51 mg/L de peso de célula seca, acumularam continuamente sobre o experimento (n = 3, entrada 1 na Figura 3). Em contraste, nenhuma acumulação de Ntotal foi observada em controles que omitiram um dos seguintes elementos no projeto: separação de água, X. autotrophicus, um reator de câmara simples, e um ambiente microaeróbico (entradas 2 a 5 na Figura 2b). Particularmente no caso do experimento de câmara-dual (entrada 4 na Figura 3), a ausência de acumulação de Ntotal é simultânea com o aumento de concentração de Co2+ solúvel no meio de 0,9+/-0,2 μM para 40+/-6 μM dentro de 24 horas como determinado por espectrometria de massa de plasma acoplada indutivamente (ICP-MS), que é próxima da concentração inibidora meio máxima (IC50) de ~50 μM de X. autottrophicus. Sem desejar ser preso por teoria, isto pode indicar que a instalação de uma membrana de troca de ânions (AEM) evitou a deposição de Co2+ lixiviado sobre o anodo de CoPi, ilustrando que a biocompatibilidade dos materiais usados no sistema pode ser uma desejável propriedade de sistema. Também como ilustrado na figura, au mentos em OD600 que excedem grandemente au mentos em Ntotal (entrada 4 e 5 em 3) são provável mente devidos a dispersão de luz a partir de acumulação de poli(3-hidroxi butirato), que é produzido como um polímero de estocagem de carbono em condições de restrições de nutriente acopladas com excesso de carbono.

[0030] A atividade NRR do sistema híbrido descrito também é suportada por ensaios de redução de acetileno de célula inteira que foram realizados. Especificamente, alíquotas foram amostradas diretamente dos dispositivos operantes que foram expostos a um ambiente de gases O2/H2/CO2/Ar (2/10/10/78) e foram capazes de reduzir C2H2 injetado exclusivamente em C2H4 em uma taxa de 127+/33 (n = 3). Se a taxa cinética de redução de C2H2 é um quarto de redução de N2 baseado na estequiometria de reação, esta atividade corresponde a ~12 mg/L Ntotal por dia para culturas de OD600 = 1,0. Esta taxa de fixação de N2 é consistente com a acumulação de Ntotal medida durante os 5 dias de experimentos e exclui as possibilidades de outras fontes hipotéticas de nitrogênio em conjunção com outros controles (vide supra). Esta medição corresponde a frequência de quantidade processada NRR (TOF) de 1,4x104 s-1 por célula bacteriana. Se assumindo um número de cópias de nitrogenase de cerca de 5000 baseado em literatura prévia, esta NRR TOF corresponde grosseiramente ~3 s-1 por enzima, que é consistente com estudos prévios. O número de quantidade processada equivalente (TON) é grosseiramente 8x109 por célula bacteriana e 1x106 por nitrogenase, pelo menos 2 ordens de magnitude maior que catalisadores biológicos e sintéticos previamente reportados.

[0031] A Figura 4 apresenta os resultados de voltametria de exploração linear (linha, 10 mV/s) e cronoamperimetria (círculo, média 30 minutos) de catodo Co-P HER em meio X. autotrophicus, iR corrigida. Os valores termodinâmicos de HER e NRR (EHER, ENRR) são mostrados. Contribuições de voltagens a partir de Eappl = 3,0 V aplicada são mostradas abaixo de caracterização I-V. A reação NRR opera com forças de acionamento cinético tão baixas como 160 mV. As características I-V do catodo Co-P HER em meio X. autotrophicus indicam um aparente su per potencial de cerca de 0,43 V. Sem desejar ser preso por teoria, muito deste valor não é intrínseco para as propriedades catalíticas dos eletrodos, mas origina-se do desenvolvi mento de um gradiente de concentração de prótons na solução fracamente tamponada (fosfato 9,4 mM). Através de subtração de contribuição de transporte de massa, o super potencial NRR intrínseco é cerca de 0,16 V, muito menor do que prévios relatos na literatura. A salinidade de meio diluído subsequentemente usa uma voltagem de acionamento de Eappl = 3,0 V, que é maior do que previamente reportado. A baixa condutividade iônica contribui para cerca de 28% de Eappl (~0,85 V), que provável mente pode ser reduzida por adicional otimização . Independentemente, a eficiência de energia de NRR (n eiec,NRR) nos experimentos é 1,8+/-0,3% (n = 3) durante os 5 dias de experimentos, em adição aos 11,6+/-1,9% de eficiência de redução de CO2 elétrica (|θiθc,co2, n = 3). Isto corresponde a ~900 GJ por ton de NH3, enquanto o limite termodinâmico é de 20,9 GJ por ton de NH3. Baseado na estequiometria de reação de nitrogenase e caminhos bioquímicos a montante, o número teórico de moléculas de H2 necessárias para reduzir uma molécula de N2 varia entre 9,4 ~14,7, que fixa um limite superior de |θiθc,NRR em 7,5 ~11,7%. Por isso , a quantidade de redução de nitrogênio reportada neste experimento é de 15 - 23% do rendimento teórico, muito maior do que as eficiências faradaicas ou rendimentos quantum de outros sistemas em condições ambientes.

[0032] os experimentos e sistemas descritos exibiram mais rápida redução de N2 e cresci mento microbiano como comparados a fermentação com gás em condições similares. Em contraste ao crescimento linear observado no sistema híbrido (Figura 2), fermentação com gás nas mesmas condições suplementada com um espaço superior contendo ~10% H2 (experimento “H2 jarro” na Figura 2) mostra crescimento não linear, relativamente lento. Esta diferença é dependente de fixação de N2, quando crescimento sob fermentação com gás e eletrólise não demonstrou diferença discernível quando amônia é suplementada no meio. Sem desejar ser preso por teoria, é acreditado que isto é o resultado de inibição competitiva de H2 sobre nitrogenase, com uma constante de inibição Kis(2) de - 11 kPa. Onde eletrólise mantém uma baixa pressão parcial de H2 em estado estável no dispositivo híbrido, a alta concentração de H2 na fermentação com gás pode diminuir a taxa de fixação de N2 e/ou reduzir a eficiência de energia NRR. Esta hipótese é suportada por simulações numéricas, que mostram mais lenta acumulação de biomassa no caso de fermentação com gás. Por isso, os presentes experimentos indicam que o dispositivo híbrido descrito pode prover adicionais benefícios comparado à simples combinação de fermentadores de gás com um eletrolisador de separação de água, quando o H2 gerado de separação de água pode influenciar caminhos bioquímicos a jusante.

[0033] O dispositivo híbrido é capaz de excretar NH3 sintetizado em um meio extracelular. Prévios ensaios bioquímicos e sequenciamento de genoma sobre esta linhagem indicam que NH3 gerado de nitrogenase é incorporado em biomassa via um processo de duas etapas mediado por glutamina sintetase (GS) e glutamato sintase (GOGAT) (Figura 1 e 5). Se a funcionalidade deste caminho de assimilação de NH3 é interrompida, produção direta de uma solução fertilizante NH3 extracelular é realizada. Foi reportado que inibidores GS podem ser usados para secreção de NH3 em diazotróficos de fermentação de açúcar. Como uma prova de princípio, glufosinato (PPT), um específico inibidor GS comercialmente usado como herbicida, foi usado para bloquear o caminho de assimilação de NH3 (caminho 2 em Figura 1, e Figura 5). Após a adição de PPT, a biomassa de X. autotrophicus estagnou, enquanto Ntotal e a concentração de NH3 livre na solução (NNH3) aumentaram (Figura 6). Isto indica que acumulação de nitrogênio após adição de PPT na maior parte tomou a forma de NH3 extracelular. No fim de experimentos, a concentração de NNH3 foi 11+/- 2mg/L (~0,8 mM) e a Ntotal acumulada atingiu 47+/-3 mg/L (n = 3. Tabela S1). A taxa de fixação de N2 tende a diminuir na última fase dos experimentos, o que pode estar relacionado a regulação de nitrogênio em níveis transcricionais e pós-transcricionais. Ainda engenharia em biologia sintética é capaz de aliviar esta limitação.

[0034] Os experimentos acima demonstram a produção e uso de uma abordagem alternativa de síntese de NH3 a partir de N2, H2O, e eletricidade. O processo biossintético de separação de água opera em condições ambientes e pode ser distribuído para um suprimento em demanda de fertilizante nitrogênio. Quando acoplado com um suprimento renovável de energia tal como um dispositivo fotovoltáico de 18% de eficiência de energia, fixação de N2 com energia solar em NH3 pode ser obtida em até 0,3% de eficiência solar-para-NH3 junto com 2,1% de eficiência de redução de CO2 solar. Um sistema de colheita típico anualmente reduz ~11g de nitrogênio por m2. Que corresponde a uma eficiência solar-para-NH3 ~4x10-5 (assumindo 2000 kWh/m2 irradiação solar anual). Por isso, esta abordagem rende uma eficiência muito maior e provê uma rota sustentável para produção de fertilizante sem o uso de combustíveis fósseis. Embora exemplos nos quais os vários estoques de alimentação (isto é, gases) possam ser providos usando combustíveis fósseis na medida em que a presente exposição não é limitada ao uso de somente energias renováveis e/ou separação de água diretamente em um reator para produzir a desejada geração de amônia.

[0035] Embora os presentes ensinamentos tenham sido descritos em conjunção com várias concretizações e exemplos, não é pretendido que os presentes ensinamentos sejam limitados a tais concretizações ou exemplos. Ao contrário, os presentes ensinamentos abrangem várias alternativas, modificações, e equivalentes, como será apreciado por aqueles versados na técnica. Da mesma maneira, a descrição e desenhos anteriores são somente a título de exemplo.

Claims (23)

1. Processo para produção de amônia, caracterizado pelo fato de que compreende: dissolver hidrogênio em uma solução; dissolver dióxido de carbono na solução; dissolver nitrogênio na solução; colocar um inibidor de glutamina sintetase na solução; colocar bactérias diazotróficas autotróficas na solução; e metabolizar hidrogênio, dióxido de carbono e nitrogênio com bactéria diazotrófica autotrófica para produzir amônia.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dissolução de hidrogênio na solução compreende ainda separação de água na solução parar formar hidrogênio e oxigênio.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a separação de água na solução compreende ainda separação de água usando um catodo incluindo liga de cobalto - fósforo e um anodo incluindo fosfato de cobalto.

4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a solução inclui um fosfato.

5. Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o fosfato apresenta uma concentração entre 9 e 50 mM.

6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a dissolução de dióxido de carbono e nitrogênio na solução compreende ainda borbulhamento de dióxido de carbono e nitrogênio através de solução.

7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato deque compreende ainda borbulhamento de um gás que contém entre 0,5% e 5% de oxigênio através da solução.

8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a produção de amônia usando bactéria diazotrófica autotrófica na solução, em que pelo menos uma porção da amônia produzida pelas bactérias diazotróficas autotróficas é excretada na solução.

9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que compreende ainda monitorar uma concentração de um ou mais dos gases dissolvidos.

10. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende ainda controlar uma concentração de um ou mais dos gases dissolvidos.

11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que a bactéria diazotrófica autotrófica inclui Xanthobacter autotrophicus.

12. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que a bactéria diazotrófica autotrófica inclui Bradyrhizobium japonicum.

13. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que o inibidor da glutamina sintetase compreende glufosinato e/ou metionina sulfoximina.

14. Sistema para produção de amônia, como definido no processo da reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema compreende: uma câmara de reator com uma solução ali contida, onde a solução inclui hidrogênio dissolvido, dióxido de carbono dissolvido, nitrogênio dissolvido, um inibidor de glutamina sintetase e bactérias diazotróficas autotróficas, em que as bactérias diazotróficas autotróficas metabolizam hidrogênio, dióxido de carbono e nitrogênio na solução para produzir amônia.

15. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma fonte de energia conectada a um primeiro eletrodo compreendendo uma liga de cobalto - fósforo e um segundo eletrodo compreendendo fosfato de cobalto, onde o primeiro eletrodo e o segundo eletrodo são pelo menos parcialmente imersos na solução dentro da câmara de reator.

16. Sistema de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um fosfato na solução.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o fosfato tem uma concentração entre 9 e 50 mM.

18. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma entrada de gás que borbulha gás através de solução dentro da câmara de reator.

19. Sistema de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que a fonte de gás compreende pelo menos um de nitrogênio, hidrogênio e dióxido de carbono conectado de modo fluido à entrada de gás.

20. Sistema de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que a fonte de gás contém entre 0,5% e 5% de oxigênio.

21. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 20, caracterizado pelo fato de que a bactéria diazotrófica autotrófica inclui Xanthobacter autotrophicus.

22. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 20, caracterizado pelo fato de que a bactéria diazotrófica autotrófica inclui Bradyrhizobium japonicum.

23. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 22, caracterizado pelo fato de que o inibidor de glutamina sintetase compreende glufosinato e/ou metionina sulfoximina.