ES2871066T3

ES2871066T3 - Cepa de Methanothermobacter thermautotrophicus y variantes de la misma

Info

Publication number: ES2871066T3
Application number: ES16156757T
Authority: ES
Inventors: Laurens Mets
Original assignee: University of Chicago
Current assignee: University of Chicago
Priority date: 2011-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2021-10-28
Anticipated expiration: 2032-01-05
Also published as: EP3072979A1; PT3072979T; US20160319305A1; CA2823759C; HUE054145T2; US20140011251A1; EP2661511B1; EP3072979B1; HUE029604T2; ES2580959T3; SI3072979T1; US20220170050A1; DK3072979T3; CA2823759A1; EP3865593A1; DK2661511T3; WO2012094538A1; BR112013017306A2; US20200248207A1; US9428745B2

Abstract

Un sistema para producir metano a partir de dióxido de carbono, que comprende un suministro de dióxido de carbono, una fuente de energía reductora, y microorganismos de Methanothermobacter cultivados a una temperatura de 50 grados C o más y un pH de 8 a 10 en un medio de cultivo que da soporte a una fase estacionaria de crecimiento de dichos microorganismos, en donde dichos microorganismos son (a) la cepa UC 120910 Methanothermobacter thermautotropjicus depositado el 21 de diciembre de 2010 con la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.º PTA-11561 o (b) una variante que proviene de (a) que conserva las características fenotípicas de conversión de CO2 de (a) y en donde dichos microorganismos presentan una eficacia de producción de metano que es de al menos 25 moléculas de CO2 convertidas a metano por molécula de CO2 convertida a material celular, produce al menos 96 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas a los microorganismos y/o produce al menos 17 gramos de metano a partir de dióxido de carbono por 1 gramo de material celular producido a partir de dióxido de carbono.

Description

DESCRIPCIÓN

Cepa de Methanothermobacter thermautotrophicus y variantes de la misma

Se incorpora por referencia en su totalidad una secuencia de nudeótidos/aminoácidos legibles por ordenador presentada simultáneamente con la misma e identificada de la siguiente manera: One 6 KB ASCII (Texto) archivo denominado "45956A_SeqListing.txt”, creado el 4 de enero de 2012.

Antecedentes

Anualmente en los Estados Unidos se consume aproximadamente 90 ExaJulios (EJ) de combustibles basados en carbono, el 88 % de su consumo total de energía en 2008. El uso de estos combustibles se soporta por las industrias fuertemente capitalizadas de procesamiento, distribución y utilización.

La sostenibilidad de estos sistemas es cuestionable por dos razones. En primer lugar, los Estados Unidos importan el 25 % de la energía que usa, una proporción que se espera que aumente sustancialmente. La energía importada se obtiene de fuentes que están bajo presión para servir a una demanda creciente de economías en crecimiento en otras partes del mundo. En segundo lugar, más del 96 % de los combustibles basados en carbono se obtienen de reservas fósiles, que son finitas. La energía útil se obtiene de combustibles basados en carbono oxidando estados reducidos de carbono a dióxido de carbono. Para los combustibles fósiles, este proceso es básicamente del bucle abierto, produciendo CO2 sin procesos de reducción de carbono compensatorios para cerrar el ciclo. La acumulación gradual consecuente de CO2 atmosférico comienza a ocasionar cambios en el clima global que amenazan a muchos aspectos de nuestro estilo de vida. Por lo tanto, se necesita un proceso que pueda cerrar este ciclo de energía del carbono para la economía de la energía total.

Un flujo anual de 58.000 EJ de energía solar impacta en el suelo de Estados Unidos, haciendo que sea la fuente de energía sin carbono más abundante - 500 veces el consumo actual. La energía solar tiene la ventaja exclusiva de ser una fuente doméstica no solo en los Estados Unidos sino en cualquier lado donde viven las personas. Su uso generalizado como una fuente primaria aseguraría la independencia energética en todo el mundo. Sin embargo, actualmente la energía solar es solo un componente marginal de la economía energética, proporcionado menos del 0,1 % del consumo energético comercializado de Estados Unidos. El aprovechamiento de la energía solar es limitado principalmente porque es intermitente y no puede basarse en proporcionar una energía de carga base que debe estar disponible en cualquier momento que se necesite. Se carece de un método para almacenar energía solar en forma estable que pueda utilizarse siempre que se necesite. De manera ideal, dicha forma de almacenamiento debe ajustarse fácilmente en la infraestructura energética existente de tal manera que pueda utilizarse fácilmente una vez desarrollada.

Existe una necesidad en la industria energética de sistemas que conviertan una forma de energía en otra. En particular, se necesitan sistemas para convertir la electricidad en una forma de energía que pueda conservarse de forma económica a escalas industriales. Muchas fuentes de generación de electricidad no pueden ajustarse para coincidir con el cambio de demanda. Por ejemplo, las centrales eléctricas de carbón operan más eficazmente cuando se mantienen a una velocidad constante y no pueden ajustarse tan fácilmente como las centrales eléctricas a gas natural (metano). Del mismo modo, las turbinas eólicas generan electricidad cuando el viento sopla, lo que puede no ocurrir necesariamente cuando la demanda de electricidad es más alta.

Existe también una necesidad de convertir la electricidad en una forma que pueda transportarse a largas distancias sin pérdidas significativas. Muchas oportunidades para los parques eólicos, instalaciones de generación de energía basadas en geotermia, en energía hidroeléctrica o solar no se localizan cerca de los centros de población principales, sino que las pérdidas de potencia eléctrica sobre los cientos de miles añaden un coste significativo a dichas instalaciones de energías lejanas.

El metano es una de las formas más versátiles de energía y se puede almacenar fácilmente. Actualmente existe mucha infraestructura para el transporte y la distribución de metano, así como la infraestructura para transformar metano en electricidad y para dar energía a los vehículos a motor. El metano también tiene la densidad de energía más elevada por átomo de carbono de todos los combustibles fósiles y por lo tanto, de todos los combustibles fósiles, el metano libera el menor dióxido de carbono por unidad energética cuando se quema. Por tanto, los sistemas para la producción de metano, por ejemplo, a través de la transformación del dióxido de carbono y de la electricidad en metano, serían altamente útiles y valiosos en toda generación de energía y en las industrias de utilización.

Sumario

La presente invención proporciona un sistema para producir metano a partir de dióxido de carbono, que comprende un suministro de dióxido de carbono, una fuente de energía reductora, un microorganismos de Methanothermobacter cultivados a una temperatura de 50 grados C o mayor y un pH de 8 a 10 en un medio de cultivo que apoya una fase estacionaria de crecimiento de dichos microorganismos, en donde dichos microorganismos son (a) la cepa de Methanothermobacter thermautotrophicus UC 120910, depositada el 21 de diciembre de 2010 en la American Type Culture Collection (ATCC®) con la identificación del depósito de patente de ATCC® n.° PTA-11561, o (b) una variante que proviene de (a) que conserva las características fenotípicas de conversión de CO2 de (a), y en donde dichos microorganismos presentan una eficacia de producción de metano que es al menos 25 moléculas de CO2 convertidas a metano por molécula de CO2 convertida a material celular, produce al menos 96 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas a los microorganismos y/o produce al menos 17 gramos de metano a partir de dióxido de carbono por 1 gramo de material celular producido a partir de dióxido de carbono. La presente invención también proporciona el uso del sistema de la invención para producir metano a partir de dióxido de carbono.

La presente invención también proporciona un método de cultivo de un microorganismo metanógeno para la producción de metano, que comprende cultivar un microorganismo de Methanothermobacter bajo condiciones que comprenden una temperatura de 50 grados C o mayor y un pH de 8 a 10 en un medio de cultivo que apoya una fase estacionaria de crecimiento de dichos microorganismos, en donde dichos microorganismos son (a) la cepa de Methanothermobacter thermautotrophicus UC 120910, depositada el 21 de diciembre de 2010, con la American Type Culture Collection (ATCC®) con la identificación del depósito de patente de ATCC® n.° PTA-11561, o (b) una variante que proviene de (a) que conserva las características fenotípicas de conversión de CO2 de (a), y en donde los microorganismos metanógenos presentan una eficacia de producción de metano que es de al menos 25 moléculas de CO2 convertidas a metano por molécula de CO2 convertida a material celular, produce al menos 96 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas a los microorganismos, y/o produce al menos 17 gramos de metano a partir de dióxido de carbono por 1 gramo de material celular producido a partir de dióxido de carbono.

La divulgación proporciona un microorganismo de Methanothermobacter aislado que produce metano a partir de dióxido de carbono mediante un proceso denominado metanogénesis. En aspectos ejemplares, el microorganismo Methanothermobacter es un microorganismo de la especie thermautotrophicus, que se conoce también como thermautotrophicus, que también se conoce como thermautotrophicum o thermoautotrophicum. En aspectos ejemplares, el microorganismo Methanothermobacter es un microorganismo de la especie marburgensis.

En aspectos ejemplares, el microorganismo Methanothermobacter de la divulgación presenta las características fenotípicas descritas en el presente documento. En aspectos ejemplares, el microorganismo Methanothermobacter presenta una alta eficacia de producción de metano. Por ejemplo, el microorganismo Methanothermobacter muestra una alta eficacia de producción de metano que es al menos o aproximadamente de 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular.

En aspectos ejemplares, el microorganismo Methanothermobacter demuestra un alto nivel de productividad de metano. Por ejemplo, el microorganismo Methanothermobacter produce al menos o aproximadamente 96 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas al microorganismo.

En aspectos ejemplares, el microorganismo Methanothermobacter demuestra un alto nivel de productividad de metano. Por ejemplo, el microorganismo Methanothermobacter produce al menos o aproximadamente 17 gramos de metano por gramo de material celular (es decir, biomasa) de Methanothermobacter producida.

En aspectos ejemplares, el microorganismo Methanothermobacter presenta un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas en una fase estacionaria. En virtud del lento tiempo de duplicación, el microorganismo Methanothermobacter en aspectos ejemplares presenta una reducción significativa de nutrientes necesarios para el mantenimiento y crecimiento de los microorganismos.

En aspectos ejemplares, el microorganismo Methanothermobacter.

a. presenta una eficacia en la producción de metano que es de al menos o de aproximadamente 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular; o

b. sobrevive en una fase estacionaria con un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas; o

c. presenta una densidad de cultivo celular de al menos o de aproximadamente 6 mg de masa seca de células/ml de cultivo en una fase estacionaria; o

d. regresa a al menos el 80 % del nivel de productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos de exposición a al menos o a aproximadamente 3 minutos a oxígeno o monóxido de carbono; o

e. una combinación (por ejemplo, una combinación de (a) -(d) o una subcombinación de (a) a (d)) de la misma. En aspectos ejemplares, el microorganismo Methanothermobacter es (1) autotrófico y bien termófilo o hipertermófilo; y (2) capaz de retornar a al menos el 80 % (por ejemplo, 90 %, 95 %, 98 %) del nivel de productividad de metano en un estado operativo al cabo de 20 minutos, después de una exposición de al menos 10 minutos a oxígeno (por ejemplo oxígeno en aire ambiental) o monóxido de carbono; y una cualquiera o más de lo siguiente:

(3) capaz de presentar una eficacia de producción de metano por molécula de dióxido de carbono (CO2) que es al menos o aproximadamente de 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 convertida en material celular (por ejemplo, al menos o aproximadamente 40, 50, 60 o 70 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 convertida en material celular), opcionalmente al mismo tiempo que presenta un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas;

(4) capaz de sobrevivir con un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas (por ejemplo, un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 80, 90 o 100 horas) durante al menos 30 días (por ejemplo, durante al menos aproximadamente 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 o 12 meses) - por ejemplo, en una fase estacionaria o una fase casi la estacionaria;

(5) capaz de mantener de manera continua una eficacia de producción de metano de (3) durante al menos 30 días (por ejemplo, durante al menos o aproximadamente 6 meses, al menos o aproximadamente 12 meses), opcionalmente al mismo tiempo en una fase estacionaria o en una fase casi estacionaria que tiene un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas (por ejemplo, un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 80, 90 o 100 horas); y

(6) capaz de retornar a al menos el 80 % (por ejemplo, 90 %, 95 %, 98 %) de la productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos de resuministro de gas hidrógeno (H2) o electricidad, después de estar en un estado inactivo durante al menos 2 horas como se induce interrumpiendo o cesando el suministro de gas H2 o electricidad.

En aspectos ejemplares, el microorganismo Methanothermobacter aislado produce metano a un pH dentro de un intervalo de aproximadamente 6,5 a aproximadamente 7,5, a una temperatura dentro de un intervalo de aproximadamente 55 °C a aproximadamente 69 °C, y/o en un medio que tiene una conductividad dentro de un intervalo de aproximadamente 5 mS/cm a aproximadamente 100 mS/cm.

El microorganismo Methanothermobacter aislado de la divulgación puede ser (a) un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus depositada el 21 de diciembre de 2010 en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561, (b) una variante de un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus o (c) una progenie de un microorganismo de Methanothermobacter thermautotrophicus cepa UC 120910, en donde la variante o progenie conserva las características fenotípicas de un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus.

El microorganismo de Methanothermobacter aislado de la divulgación puede ser una progenie aislada de un microorganismo de Methanothermobacter de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, depositada el 21 de diciembre de 2010 en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561, que conserva las características fenotípicas de conversión de CO2 de la cepa UC 120910.

La divulgación también proporciona un cultivo o monocultivo sustancialmente puro que comprende cualquiera de los microorganismos de la divulgación. En aspectos ejemplares, el cultivo o monocultivo sustancialmente puro comprende un microorganismo de Methanothermobacter que es (a) un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus depositada el 21 de diciembre de 2010, en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561 (b) una variante de un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotropicus o (c) una progenie de un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus en donde la variante o la progenie conserva las características fenotípicas de conversión de CO2 de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus.

La divulgación proporciona adicionalmente un sistema para producir metano a partir de dióxido de carbono que comprende cualquiera de los microorganismos de la divulgación. En aspectos ejemplares, el sistema es para transformar energía eléctrica en metano. El sistema puede comprender un reactor biológico que tiene al menos un cátodo, un ánodo, agua, un aporte de dióxido de carbono y un microorganismo de Methanothermobacter que es (a) un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus depositada el 21 de diciembre de 2010, en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561, (b) una variante de un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, o (c) una progenie de un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, en donde la variante o progenie conserva las caracyerísticas fenotípicas de conversión de CO2 del microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus. El reactor biológico puede comprender al menos una primera cámara que comprende dicho cátodo, dicho microorganismo o dicha progenie, agua y un aporte de dióxido de carbono, y una segunda cámara que contiene al menos un ánodo. En realizaciones ejemplares, el sistema comprende, además del reactor biológico, una fuente de electricidad acoplada al ánodo y el cátodo, un aporte de dióxido de carbono acoplado a la primera cámara, y una salida para recibir metano de la primera cámara.

La divulgación proporciona además un método de transformación de electricidad en metano. El método puede comprender suministrar electricidad y dióxido de carbono al sistema actualmente divulgado que comprende un reactor biológico, teniendo el reactor biológico un estado operativo en el que el microorganismo se mantiene a una temperatura mayor de o de aproximadamente 60 °C, y recoger metano de la primera cámara.

La divulgación proporciona adicionalmente un cátodo poroso que comprende un microorganismo como se describe en el presente documento. También se proporcionan kits, en el que los kits comprenden un microorganismo, un cultivo o monocultivo sustancialmente puro, un sistema, un cátodo poroso, como se describe en el presente documento, o una combinación de los mismos, junto con instrucciones para el cuidado o para el uso.

Breve descripción de los dibujos

Se piensa que la divulgación se entenderá mejor a partir de la siguiente descripción tomada en conjunto con los dibujos adjuntos. Algunas de las figuras pueden haberse simplificado por la omisión de elementos seleccionados con el fin de mostrar más claramente otros elementos. Dichas omisiones de elementos en algunas figuras no son necesariamente indicativas de la presencia o ausencia de elementos particulares en ninguna de las realizaciones ejemplares, excepto como se pueda esbozar explícitamente en la descripción escrita correspondiente. Ninguno de los dibujos está necesariamente a escala.

La Fig. 1 es una vista esquemática de un sistema para transformar dióxido de carbono en metano usando un digestor;

la Fig. 2 es una vista esquemática de otro sistema para transformar dióxido de carbono en metano usando un digestor;

la Fig. 3 es una vista esquemática de un digestor estratificado para su uso en los sistemas de las Fig. 1 y 2; la Fig. 4 es una vista esquemática de un conjunto de digestores en cascada en una disposición en serie;

la Fig. 5 es una vista esquemática de un sistema para transformar dióxido de carbono en metano usando un reactor biológico o electrobiológico;

la Fig. 6 es una vista transversal de una realización de un reactor biológico para transformar dióxido de carbono en metano;

la Fig. 7 es una vista transversal de otra realización de un reactor biológico para transformar dióxido de carbono en metano;

la Fig. 8 es una vista transversal de aún otra realización de un reactor biológico para transformar dióxido de carbono en metano;

la Fig. 9 es una vista transversal de una realización adicional de un reactor biológico para transformar dióxido de carbono en metano;

la Fig. 10 es una vista esquemática de una realización de un reactor biológico con una pluralidad de ánodos y cátodos;

la Fig. 11 es una vista transversal del sistema de la Fig. 10 tomada a lo largo de la línea 11-11;

la Fig. 12 es una vista transversal de una de la pluralidad de reactores biológicos de la Fig. 11 tomada a lo largo de la línea 12-12;

la Fig. 13 es una vista transversal de una variante de reactor biológico para su uso en el sistema de la Fig. 10; la Fig. 14 es una vista esquemática de una disposición en serie de reactores biológicos de acuerdo con la presente divulgación;

la Fig. 15 es una vista esquemática de una disposición en paralelo de reactores biológicos de acuerdo con la presente divulgación;

la Fig. 16 es una vista esquemática de un reactor biológico como se usa en el Ejemplo 2;

la Fig. 17 es una vista esquemática de un sistema de ensayo que incorpora el reactor biológico como se usa en el Ejemplo 2;

la Fig. 18 es un gráfico de producción de metano e hidrógeno a lo largo del tiempo con tensión variable aplicada a través del ánodo y el cátodo de un reactor biológico de acuerdo con la Fig. 16; la Fig. 18A representa los mismos datos que la Fig. 18 pero los datos se presentan como líneas uniformes en lugar de puntos de datos individuales;

la Fig. 19 es un gráfico de productividad a lo largo del tiempo con tensión variable aplicada a través del ánodo y el cátodo de un reactor biológico de acuerdo con la Fig. 16; la Fig. 19A representa los mismos datos que la Fig. 19 pero los datos se presentan como líneas suave continuas en lugar de como puntos de datos individuales; la Fig. 20 es un gráfico del espectro de masas del gas del espacio de cabeza del reactor de metanogénesis; la Fig. 21 es un gráfico que representa los efectos del aire de inyección en un cultivo maduro a alta densidad (>2 g de masa seca celular/l) sobre la inhibición, consumo y recuperación de oxígeno;

la Fig. 22 es un gráfico de la eficacia de transformación estimada de hidrógeno en metano durante el periodo completo de un cultivo en estado estacionario de 107 días;

la Fig. 23 es una vista esquemática de una configuración de un biorreactor de 7,5 litros de acuerdo con la presente divulgación;

la Fig. 24 es un gráfico que representa una relación ejemplar entre la necesidad de nutrientes estimada con respecto a una cepa parental;

la Fig. 25 es un gráfico que representa el crecimiento temprano de la densidad óptica (linealizada) medida a 600 nm para tres cultivos distintos resultantes de la inoculación de una alícuota de la cepa UC120910;

la Fig. 26 es un gráfico que representa las características de crecimiento en tiempo tardío de unos de los cultivos hacia las 627 horas;

la Fig. 27 es un gráfico que representa la producción de agua de un cultivo de 4,0 l de la cepa UC 120910 medida a lo largo de 43 horas;

la Fig. 28 es un gráfico que representa la producción de metano de un cultivo de la cepa UC 120910 mientras se aporta el hidrógeno y el dióxido de carbono (círculos negros) y mientras que se cesa el suministro de hidrógeno y dióxido de carbono (círculos blancos);

la Fig. 29 es un gráfico que representa la producción de agua durante 40 días de un cultivo de la cepa UC 120910 mantenida en un volumen fluido de 3,0 l bajo aproximadamente 20,68 kPa de presión y proporcionando gas hidrógeno a una velocidad de 0,48 SLPM (230 VVD), dióxido de carbono a una velocidad de 0,12 SLPM (58 VVD) y pH mantenido entre 6,83 y 6,85;

la Fig. 30 es un gráfico que representa la medición casi continua de las velocidades de caudal de gas del cultivo descrito en la Fig. 29;

la Fig. 31 es un gráfico que representa la producción de agua diaria de la cepa UC 120910 mientras opera con aportes de biogás y gas H2 después de haber crecido a una densidad estable usando una mezcla estequiométrica de H2 y CO2 a 0,20 l/min de H2 y 0,05 l/min de CO2, temporalmente suspendida y transportada al sitio de un digestor anaeróbico que produce biogás;

la Fig. 32 es un gráfico que representa el peso seco de los cultivos descritos en la Fig. 31 a lo largo del tiempo; y la Fig. 33 es un gráfico que representa la densidad óptica de los cultivos descritos en la Fig. 31 a lo largo del tiempo.

Descripción detallada

Aunque el siguiente texto expone una descripción detallada de numerosas realizaciones distintas de la invención, debe entenderse que el alcance legal de la invención se define por las palabras de las reivindicaciones expuestas al final de esta patente. La descripción detallada debe considerarse como ejemplar solamente y no describe cada posible realización de la invención dado que la descripción de cada posible realización no sería práctica, sino imposible. Pueden implementarse numerosas realizaciones alternativas, usando la tecnología actual o la tecnología desarrollada después de la fecha de presentación de esta patente, que podría aún encontrarse dentro del alcance de las reivindicaciones que definen la invención.

También debe entenderse que, a menos que un término se defina expresamente en esta patente usando la frase “como se usa en el presente documento, el término '____' queda definido por la presente para significar...” o una frase similar, no intenta limitar el significado del término, ya sea explícita o implícitamente, más allá de su significado simple y ordinario, y que dicho término no debe interpretarse como que limita el alcance basándose en cualquier afirmación realizada en cualquier sección de esta patente (distinta del lenguaje de las reivindicaciones). El grado al que cualquier término recitado en las reivindicaciones al final de esta patente se refiera en esta patente, de una manera coherente con un único significado, se realiza motivos de claridad solamente a fin de no confundir al lector, y no se pretende que tal reivindicación esté limitada, por implicación o de otra manera, a ese único significado. Finalmente, a menos que un elemento reivindicado se defina recitando la palabra “significa” y una función sin recitar cualquier estructura, no se pretende que el alcance de cualquier elemento reivindicación se interprete basándose en la solicitud de 35 U.S.C. § 112, párrafo sexto.

Microorganismos

La divulgación proporciona microorganismos que producen metano a partir de dióxido de carbono mediante un proceso denominado metanogénesis. Por consiguiente, los microorganismos de la divulgación son microorganismos metanogénicos, también conocidos como metanógenos. Como se usa en el presente documento, el término “metanogénico” se refiere a microorganismos que producen metano como un producto secundario metabólico. En aspectos ejemplares, el microorganismo produce metano a partir de dióxido de carbono, electricidad y agua, mediante un proceso denominado metanogénesis electrobiológica. En aspectos ejemplares, el microorganismo utiliza hidrógeno en la producción de metano mediante un proceso denominado metanogénesis hidrogenotrófica. Por consiguiente, en aspectos ejemplares, el microorganismo actualmente divulgado es un microorganismo metanogénico hidrogenotrófico. En aspectos ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de producir metano mediante metanogénesis electrobiológica o mediante metanogénesis hidrogenotrófica. En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter produce metano a un pH dentro de un intervalo de aproximadamente 6,5 a aproximadamente 7,5, a una temperatura dentro de un intervalo de aproximadamente 55 °C a aproximadamente 69 °C, y/o en un medio que tiene una conductividad dentro de un intervalo de aproximadamente 5 mS/cm a aproximadamente 100 mS/cm.

En aspectos ejemplares, el microorganismo actualmente divulgado pertenece al género Methanothermobacter. Las características de este género son conocidas en la materia. Véase, por ejemplo, Reeve et al., J Bacteriol 179: 5975 5986 (1997) y Wasserfallen et al., Internatl J Systematic Evol Biol 50: 43-53 (2000). Por consiguiente, en aspectos ejemplares, el microorganismo expresa ARNr 16S que tiene al menos el 90 % (por ejemplo, al menos el 95 %, al menos el 98 %, al menos el 99 %) de identidad de secuencia con la longitud completa de la secuencia del ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H, que se encuentra disponible al público a partir de la base de datos de secuencia del European Molecular Biology Laboratory (EMBL) con el n.° de entrada X68720, y que se expone en el presente documento como SEQ ID NO: 1. En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter es un microorganismo de la especie thermautotrophicus, que también se conoce como thermoautotrophicus. En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter es un microorganismo de la especie marburgensis.

En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter de la divulgación presenta las características fenotípicas descritas en el presente documento. En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter presenta una alta eficacia de producción de metano. Por ejemplo, el microorganismo de Methanothermobacter presenta una alta eficacia de producción de metano por molécula de CO2 que es de al menos o de aproximadamente 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular.

En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter demuestra un alto nivel de productividad de metano con respecto al dióxido de carbono suministrado. Por ejemplo, el microorganismo de Methanothermobacter produce al menos o aproximadamente 96 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas al microorganismo. Como otro ejemplo, el microorganismo de Methanothermobacter produce al menos o aproximadamente 17 gramos de metano por gramo de biomasa producida.

En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter presenta un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas. Con respecto a la velocidad de crecimiento de este microorganismo durante el crecimiento exponencial, por ejemplo, el tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas define una fase estacionaria o una fase casi estacionaria de crecimiento. En virtud del lento tiempo de duplicación, el microorganismo de Methanothermobacter en aspectos ejemplares presenta una reducción significativa de nutrientes requeridos para el mantenimiento y crecimiento de los microorganismos.

En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter:

a. presenta una eficacia de producción de metano que es de al menos o de aproximadamente 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular; o

b. sobrevive con un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas (por ejemplo, en una fase estacionaria o en una fase casi estacionaria); o

c. presenta una densidad de cultivo celular de al menos o de aproximadamente 6 mg de masa seca de células/ml de cultivo en una fase estacionaria o casi una fase estacionaria; o

d. regresa a al menos el 80 % del nivel de productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos de exposición a al menos o aproximadamente a los 3 minutos de bien oxígeno o monóxido de carbono; o e. una combinación (por ejemplo, una combinación de (a) -(d) o una subcombinación de (a) a (d)) de la misma. En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter es (1) autótrofo y bien termófilo o hipertermófilo; y (2) capaz de retornar a al menos el 80 % (por ejemplo, el 90 %, el 95 %, el 98 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos de exposición a al menos 10 minutos de oxígeno (por ejemplo, oxígeno en aire ambiental) o monóxido de carbono; y una cualquiera o más de lo siguiente: (3) capaz de presentar una eficacia de producción de metano que es al menos o de aproximadamente 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular (por ejemplo, al menos o aproximadamente 40, 50, 60 o 70 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular), opcionalmente al mismo tiempo que presenta un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas;

(4) capaz de sobrevivir con un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas (por ejemplo, un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 80, 90 o 100 horas) durante al menos 30 días (por ejemplo, durante al menos aproximadamente 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 o 12 meses);

(5) capaz de mantener de manera continua una eficacia de producción de metano de (3) durante al menos 30 días (por ejemplo, durante al menos o aproximadamente 6 meses, al menos o aproximadamente 12 meses), opcionalmente al mismo tiempo que presenta un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas (por ejemplo, un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 80, 90 o 100 horas); y (6) capaz de retornar a al menos el 80 % (por ejemplo, el 90 %, el 95 %, el 98 %) de la productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos de resuministro de hidrógeno o electricidad, después de estar en un estado inactivo durante al menos 2 horas como se induce interrumpiendo o cesando el aporte de hidrógeno o electricidad.

En cualquiera de las realizaciones ejemplares descritas en el presente documento, el microorganismo puede aislarse. Como se usa en el presente documento, el término “aislado” significa que se ha retirado de su entorno natural, de origen no natural y/o sustancialmente purificado de contaminantes que están naturalmente asociados con el microorganismo.

Microorganismos: Cepa UC 120910

En realizaciones ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter de la divulgación es un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, depositada el 21 de diciembre de 2010 en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561.

Microorganismos: Progenie

El microorganismo de Methanothermobacter aislado de la divulgación puede ser una progenie del microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, cuya progenie conserva las características fenotípicas de transformación de CO2 de un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, como se describe adicionalmente en el presente documento. Opcionalmente, la progenie conserva las características fenotípicas adicionales de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus.

Por consiguiente, la divulgación también proporciona una progenie aislada de un microorganismo de Methanothermobacter de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, depositada el 21 de diciembre de 2010 en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561, que conserva las características fenotípicas de transformación de CO2 de dicha cepa.

Como se usa en el presente documento, el término “progenie” se refiere a cualquier microorganismo resultante de la reproducción o multiplicación de un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus. En este sentido, “progenie” significa cualquier descendiente de un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus. Como tal, la propia progenie se identifica como cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus. La progenie puede ser genéticamente idéntica a un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus y, como tal, la progenie puede considerarse como un “clon” del microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus. La progenie puede ser sustancialmente idéntica desde el punto de vista genético a un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, de modo que la secuencia del genoma de la progenie es distinta de la secuencia del genoma del microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, pero el fenotipo de la progenie es sustancialmente el mismo que el fenotipo de un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus. La progenie puede ser progenie como resultado del cultivo de los microorganismos de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus bajo las condiciones expuestas en el presente documento, por ejemplo, el Ejemplo 1 o 2.

Microorganismos: Variantes

En realizaciones ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter aislado de la divulgación es una variante de un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, cuya variante conserva las características fenotípicas de transformación de CO2 del microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, como se describe adicionalmente en el presente documento.

Por consiguiente, la divulgación también proporciona una variante aislada de un microorganismo de Methanothermobacter de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, depositada el 21 de diciembre de 2010 en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561, que conserva las características fenotípicas de transformación de CO2 de dicha cepa.

Como se usa en el presente documento, el término “variante” se refiere a cualquier microorganismo resultante de la modificación de un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus. En aspectos ejemplares, la variante es un microorganismo resultante de la adaptación en cultivo de un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, como se describe en el presente documento. En aspectos alternativos, la variante es un microorganismo resultante de la modificación genética de un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, como se describe en el presente documento.

En realizaciones ejemplares, la variante es un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus modificado para presentar o comprender determinadas características o rasgos, que, opcionalmente, pueden ser específicos de una fase de crecimiento dada (fase de crecimiento activo, fase de crecimiento estacionario, fase de crecimiento casi estacionario) o estado (por ejemplo, estado inactivo, estado operativo). Por ejemplo, en algunas realizaciones, el microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus se ha modificado para sobrevivir y/o crecer en una condición de cultivo deseada que es diferente de una condición de cultivo anterior en la que el microorganismo metanogénico de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus sobrevive y/o crece. Las condiciones de cultivo deseadas pueden diferir del entorno anterior en cuanto a temperatura, pH, presión, densidad celular, volumen, humedad, contenido de sal, conductividad, contenido de carbono, contenido de nitrógeno, contenido de vitaminas, contenido de aminoácidos, contenidos de minerales o una combinación de los mismos. En algunas realizaciones, el microorganismo metanogénico antes de la adaptación en cultivo o de la modificación genética, es uno que no es halófilo, pero que, a través de la adaptación en cultivo o la modificación genética se ha vuelto un halófilo. Como se usa en el presente documento, “halófilo” o “halofílico” se refiere a un microorganismo que sobrevive y crece en un medio que comprende una concentración salina superior a 100 g/l. Además, por ejemplo, en algunas realizaciones, el microorganismo metanogénico antes de modificación genética es uno que no expresa una proteína, pero a través de modificación genética se ha vuelto un microorganismo metanogénico que expresa la proteína. Adicionalmente, por ejemplo, en algunas realizaciones, el microorganismo metanogénico antes de la adaptación en cultivo o la modificación genética, es uno que sobrevive y/o crece en presencia de una fuente de carbono particular, fuente de nitrógeno, aminoácido, mineral, sales, vitaminas o combinación de los mismos, pero que a través de la adaptación en cultivo o la modificación genética, se ha vuelto un microorganismo metanogénico que sobrevive y/o crece en ausencia sustancial de los mismos. Como alternativa o adicionalmente, en algunas realizaciones, el microorganismo metanogénico antes de la adaptación en cultivo o la modificación genética, es uno que sobrevive y/o crece en presencia de una cantidad o concentración particular de una fuente de carbono, fuente de nitrógeno, aminoácido, mineral, sal, vitamina, pero a través de la adaptación en cultivo o la modificación genética, se ha vuelto un microorganismo metanogénico que sobrevive y/o crece en una cantidad o concentración distintos de los mismos.

En algunas realizaciones, el microorganismo metanogénico está adaptado a una fase o estado de crecimiento particular. Además, por ejemplo, el microorganismo metanogénico en algunas realizaciones es uno que, antes de la adaptación en cultivo o la modificación genética, es uno que sobrevive y/o crece en un intervalo de pH dado, pero a través de la adaptación en cultivo, se vuelve un microorganismo metanogénico que sobrevive y/o crece en un intervalo de pH diferente. En algunas realizaciones, el microorganismo metanogénico está adaptado en cultivo a una fase de crecimiento casi estacionaria en un intervalo de pH de aproximadamente 3,5 a aproximadamente 10 (por ejemplo, de aproximadamente 5,0 a aproximadamente 8,0, de aproximadamente 6,0 a aproximadamente 7,0). Por consiguiente, en algunos aspectos, los microorganismos metanogénicos están adaptados en cultivo a una fase de crecimiento casi estacionaria a un pH de aproximadamente 3,5, 3,6, 3,7, 3,8, 3,9, 4,0, 4,1, 4,2, 4,3, 4,4, 4,5, 4,6, 4,7, 4,8, 4,9, 5,0, 5,1, 5,2, 5,3, 5,4, 5,5, 5,6, 5,7, 5,8, 5,9, 6,0, 6,1, 6,2, 6,3, 6,4, 6,5, 6,6, 6,7, 6,8, 6,9, 7,0, 7,1, 7,2, 7,3, 7.4, 7,5, 7,6, 7,7, 7,8, 7,9, 8,0, 8,1, 8,2, 8,3, 8,4, 8,5, 8,6, 8,7, 8,8, 8,9, 9,0, 9,1, 9,2, 9,3, 9,4, 9,5, 9,6, 9,7, 9,8, 9,9 o 10,0. En algunas realizaciones, los microorganismos metanogénicos están adaptados en cultivo a una fase de crecimiento activo en un intervalo de pH de aproximadamente 6,5 a aproximadamente 7,5 (por ejemplo, de aproximadamente 6,8 a aproximadamente 7,3). Por consiguiente, en algunos aspectos, los microorganismos metanogénicos están adaptados en cultivo a una fase de crecimiento casi estacionaria a un pH de aproximadamente 6.5, 6,6, 6,7, 6,8, 6,9, 7,0, 7,1, 7,2, 7,3, 7,4 o 7,5.

Como se usa en el presente documento, la expresión “adaptación en cultivo” se refiere a un proceso en el que los microorganismos se cultivan en un conjunto de condiciones de cultivo deseadas (por ejemplo, salinidad elevada, temperatura elevada, ausencia sustancial de cualquier fuente de carbono, bajo pH, etc.), que se diferencian de las condiciones de cultivo anteriores. El cultivo bajo las condiciones deseadas se produce durante un periodo de tiempo que es suficiente para producir microorganismos modificados (la progenie de la línea parental (es decir los microorganismos inadaptados)) que sobreviven y/o crecen (y/o producen metano) en la condición o condiciones deseadas. El periodo de tiempo de adaptación en algunos aspectos es de 1 día, 2 días, 3, días, 4 días, 5 días, 6, días, 7 días, 8 días, 9 días, 10 días, 11 días, 12 días, 13 días, 2 semanas, 3 semanas, 4 semanas, 5 semanas, 6 semanas, 1 mes, 2 meses, 3 meses, 4 meses, 5 meses, 6 meses, 7 meses, 8 meses, 9 meses, 10 meses, 12 meses, 1 año, 2 años. El proceso de adaptación en cultivo selecciona microorganismos que pueden sobrevivir y/o crecer y/o producir metano en las condiciones de cultivo deseadas; estos microorganismos seleccionados permanecen en el cultivo, mientras que los otros microorganismos que no pueden sobrevivir y/o crecer y/o producir metano en las condiciones de cultivo deseadas, eventualmente mueren en el cultivo. En algunas realizaciones, como un resultado de la adaptación en cultivo, los microorganismos metanogénicos producen metano a una mayor eficacia, por ejemplo, a una proporción del número de moléculas de dióxido de carbono transformadas en metano con respecto al número de moléculas de dióxido de carbono transformadas en materiales celulares que es mayor de N:1, en el que N es un número mayor de 20, como se describe adicionalmente en el presente documento.

Para los fines de la presente invención, en algunas realizaciones, los microorganismos metanogénicos (por ejemplo, la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus) se ha adaptado en cultivo para sobrevivir y/o crecer en un medio de cultivo con una alta concentración de sales y/o alta conductividad. Por ejemplo, el microorganismo metanogénico que se ha adaptado en cultivo para sobrevivir y/o crecer en un medio de cultivo que tiene una conductividad de aproximadamente 5 mS/cm a aproximadamente 100 mS/cm.

En realizaciones alternativas o adicionales, el microorganismo metanogénico (por ejemplo, la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus) se ha adaptado en cultivo para sobrevivir y/o crecer a una temperatura superior (por ejemplo, una temperatura que es entre aproximadamente 1 y aproximadamente 15 grados C mayor que la temperatura a la que el microorganismo sobrevive y/o crece antes de la adaptación). En realizaciones ejemplares, los microorganismos metanogénicos están adaptados para sobrevivir y/o crecer en una temperatura que es mayor de 50 °C, por ejemplo, mayor de 55 °C, mayor de 60 °C, mayor de 65 °C, mayor de 70 °C, mayor de 75 °C, mayor de 80 °C, mayor de 85 °C, mayor de 90 °C, mayor de 95 °C, mayor de 100 °C, mayor de 105 °C, mayor de 110 °C, mayor de 115 °C o mayor de 120 °C.

En algunas realizaciones, los microorganismos metanogénicos actualmente divulgados (por ejemplo, la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus) se han adaptado en cultivo para crecer y/o sobrevivir en condiciones que sean bajas o sustancialmente ausentes de cualquier vitamina. En algunos aspectos, el microorganismo metanogénico (por ejemplo, la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus) se ha adaptado en cultivo para crecer y/o sobrevivir en condiciones que son bajas o sustancialmente ausentes de cualquier fuente de carbono orgánica. En algunas realizaciones, el microorganismo metanogénico se ha adaptado en cultivo para crecer y/o sobrevivir en condiciones con cantidades sustancialmente reducidas de dióxido de carbono. En estas realizaciones, los microorganismos metanogénicos pueden adaptarse para presentar una eficacia de metanogénesis aumentada, produciendo la misma cantidad de metano (en comparación con el microorganismo inadaptado) con una cantidad reducida de dióxido de carbono. En algunas realizaciones, el microorganismo metanogénico se ha adaptado en cultivo para sobrevivir en condiciones que carecen sustancialmente de dióxido de carbono. En estas realizaciones, los microorganismos metanogénicos pueden estar en una fase inactiva en la que los microorganismos sobreviven pero no producen niveles detectables de metano. En algunas realizaciones, los microorganismos metanogénicos se han adaptado para crecer y/o sobrevivir en condiciones que son bajas en o sustancialmente ausentes de cualquier hidrógeno. En algunas realizaciones, los microorganismos metanogénicos se han adaptado para crecer y/o sobrevivir en condiciones son bajas en o sustancialmente ausentes de cualquier fuente externa de agua, por ejemplo, las condiciones dependen solo del agua producida por el metabolismo de los organismos y no implican una etapa que implica la dilución con agua añadida de forma externa.

En realizaciones ejemplares, los metanógenos están adaptados en cultivo a una fase de crecimiento casi estacionaria. Dichos metanógenos favorecen la producción de metano sobre el crecimiento celular medido, por ejemplo, mediante la proporción del número de moléculas de CO2 transformadas en metano con respecto al número de moléculas de CO2 transformadas en materiales celulares (es decir, biomasa). Esta proporción está aumentada en comparación con los metanógenos inadaptados (que pueden presentar, por ejemplo, una proporción que varía de aproximadamente 8:1 a aproximadamente 20:1). En realizaciones ejemplares, los metanógenos se adaptan en cultivo a una fase de crecimiento casi estacionaria que privándolos de uno o más nutrientes de otra manera necesarios para el crecimiento óptimo durante un período de tiempo prolongado (por ejemplo, 1 semana, 2 semanas, 3 semanas, 1 mes, 2 meses, 3 meses, 4 meses, 5 meses, 6 meses, 7 meses, 8 meses, 9 meses, 10 meses, 11 meses, 1 año, 2 años, 3 años, 4 años, 5 años o más). En realizaciones ejemplares, los metanógenos están privados de los nutrientes inorgánicos (por ejemplo, hidrógeno o electrones) necesarios para un crecimiento óptimo. En realizaciones ejemplares, la privación de los metanógenos de hidrógeno o electrones se consigue rociando los medios con una mezcla de gas inerte tal como Ar:CO2 a un caudal de 250 ml/min durante varias horas hasta que ni el hidrógeno ni el metano aparezcan en la corriente de gas efluente. En realizaciones ejemplares, los microorganismos metanogénicos se han adaptado a una fase de crecimiento casi estacionaria en condiciones que son bajas en o sustancialmente ausentes de cualquier fuente externa de agua, por ejemplo, las condiciones de adaptación no comprenden una etapa de dilución.

En aspectos ejemplares, el microorganismo metanogénico se ha adaptado en cultivo para crecer y/o sobrevivir en un medio de cultivo expuesto en el presente documento como Medio 1 y/o Medio 2 o un medio que es sustancialmente similar al Medio 1 o al Medio 2.

En realizaciones ejemplares, la variante expresa un ARNr 16S que tiene al menos o aproximadamente el 90 % (por ejemplo, el menos o aproximadamente el 95 %, al menos o aproximadamente el 98 %, al menos o aproximadamente el 99 %) de identidad de secuencia con el ARNr 16S del microorganismo parental (por ejemplo, un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus). En realizaciones ejemplares, la variante expresa un ARNr 16S que tiene al menos o aproximadamente el 90 % (por ejemplo, al menos o aproximadamente el 95 %, al menos o aproximadamente el 98 %, al menos o aproximadamente el 99 %) de identidad de secuencia con al ARNr 16S de un M. thermautotrophicus Delta H, cuya secuencia se expone en el presente documento como SEQ ID NO: 1. En realizaciones ejemplares, la variante expresa un ARNr 16S que tiene al menos o aproximadamente el 90 % (por ejemplo, al menos o aproximadamente el 95 %, al menos o aproximadamente el 98 %, al menos o aproximadamente el 99 %) de identidad de secuencia con el ARNr de 16S del microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus y que tiene al menos o aproximadamente el 90 % (por ejemplo, al menos o aproximadamente el 95 %, al menos o aproximadamente el 98 %, al menos o aproximadamente el 99 %) de identidad de secuencia con la SEQ ID NO: 1.

Arqueas modificadas genéticamente

En realizaciones ejemplares, los microorganismos metanogénicos se han modificado genéticamente deliberada o intencionadamente para volverse adecuados, por ejemplo, más adecuados, para los fines de la divulgación. Los microorganismos adecuados también pueden obtenerse mediante modificación genética de organismos no metanogénicos en los cuales genes esenciales para soportar la metanogénesis autótrofa se transfieren de un microbio metanogénico o de una combinación de microbios que pueden ser o no ser metanogénicos en sí mismos. La modificación genética adecuada también puede obtenerse mediante síntesis enzimática o química de los genes necesarios.

En realizaciones ejemplares, una célula hospedadora que no es naturalmente metanogénica se modifica genéticamente de manera intencionada para que exprese uno o más genes que se sabe que son importantes para la metanogénesis. Por ejemplo, la célula hospedadora, en algunos aspectos, se modifica genéticamente de manera intencionada para que exprese una o más coenzimas o cofactores implicados en la metanogénesis. En algunos aspectos específicos, las coenzimas o cofactores se seleccionan del grupo que consiste en F420, coenzima B, coenzima M, metanofurano y metanopterina, cuyas estructuras se conocen en la técnica. En aspectos ejemplares, los organismos se modifican para que expresen las enzimas, bien conocidas en la técnica, que emplean estos cofactores en la metanogénesis.

En realizaciones ejemplares, las células hospedadoras modificadas de manera intencionada son halófilas extremas. En realizaciones ejemplares, las células hospedadoras que se modifican de manera intencionada son termófilas o hipertermófilas. En realizaciones ejemplares, las células hospedadoras que se modifican de manera intencionada son metanógenos no autotróficos. En algunos aspectos, las células hospedadoras que se modifican de manera intencionada son metanógenos que no son autotróficos. En algunos aspectos, las células hospedadoras que se modifican de una manera intencionada son células que ni son metanogénicas ni autótrofas. En otras realizaciones, las células hospedadoras que se modifican de una manera intencionada son células hospedadoras que comprenden genomas sintéticos. En algunos aspectos, las células hospedadoras que se modifican de una manera intencionada son células hospedadoras que comprenden un genoma que no es nativo para la célula hospedadora.

En algunas realizaciones, los microorganismos metanogénicos se han modificado genéticamente deliberada o intencionadamente para que expresen pili o pili alterados, por ejemplo, pili alterados que promueven la adhesión celular al cátodo u otros componentes del reactor de metanogénesis electrobiológica o pili alterados para volverse eléctricamente conductores. Los pili son complejos de proteína filamentosas finas que forman filamentos flexibles que están constituidos por proteínas denominadas pilinas. Los pili atraviesan la membrana externa de las células microbianas y pueden extenderse desde la superficie celular para unirse a una diversidad de otras superficies. La formación de pili facilita tales funciones dispares e importantes como la adhesión a la superficie, las interacciones célula-célula que median procesos tales como la agregación, la conjugación y la movilidad contráctil. Recientes análisis informáticos (in silico) de más de veinte genomas de arqueas han identificado un gran número de genes de arquea que codifican supuestas proteínas que se asemejan a las pilinas de tipo IV (Szabó et al. 2007). La expresión de varias proteínas similares a pilinas de arqueas ya se ha confirmado in vivo (Wang et al. 2009; Zolghadr et al.

2007; Frols et al. 2007, 2008). La divergencia de secuencias de estas proteínas así como la expresión diferencial de los operones que codifican estas proteínas sugieren que desempeñan una diversidad de funciones en distintos procesos biológicos.

Determinados microorganismos tales como especies de Geobacter y Rhodoferax tienen pili altamente conductores que pueden actuar como nanoalambres producidos biológicamente como se describe en el documento US 20060257985. Muchos organismos metanogénicos, incluyendo la mayoría de las especies de Methanocaldococcus y especies de Methanotorris, tienen pili nativos y en algunos casos estos pili se usan para la unión. Ninguno de estos organismos es conocido por tener pili eléctricamente conductores de manera natural.

En realizaciones ejemplares de la divulgación, los pili de un organismo metanogénico y/o las superficies en contacto con los pili de un organismo metanogénico u otros componentes biológicos se alteran para promover la adhesión celular al cátodo u otros componentes del reactor de metanogénesis electrobiológica. Los pili de un organismo metanogénico pueden modificarse adicionalmente por ingeniería genética para optimizar su conductividad eléctrica. Las proteínas pilina pueden modificarse por ingeniería genética para unirse a diversos complejos. Por ejemplo, las proteínas pilina pueden modificarse por ingeniería genética para unirse a hierro, imitar los pili de especies de Geobacter, o como alternativa, pueden modificarse por ingeniería genética para unirse a un grupo de azufre-hierro similar a ferredoxina de bajo potencial que se produce naturalmente en muchos metanógenos hipertermófilos. El complejo deseado para una aplicación particular será regido por el potencial central de la reacción rédox.

Los microorganismos pueden modificarse genéticamente, por ejemplo, usando tecnología del ADN recombinante. Por ejemplo, las células o variantes de cepa o mutantes pueden prepararse introduciendo cambios de nucleótidos apropiados en el ADN del organismo. Los cambios pueden incluir, por ejemplo, deleciones, inserciones o sustituciones de nucleótidos dentro de una secuencia de ácido nucleico de interés. Los cambios también pueden incluir la introducción de una secuencia de ADN que no se encuentra de manera natural en la cepa o tipo celular. Un experto en la técnica podrá seleccionar fácilmente un método apropiado dependiendo del tipo de célula particular que vaya a modificarse. Los métodos para la introducción de tales cambios son muy conocidos de la técnica e incluyen, por ejemplo, mutagénesis mediada por oligonucleótidos, mutagénesis con transposones, transducción con fagos, transformación, mutagénesis al azar (que puede inducirse por exposición a componentes mutagénicos, radiación tal como rayos X, luz UV, etc.), mutagénesis mediada por PCR, transfección de ADN, electroporación, etc.

La capacidad de los pili de los organismos metanogénicos para adherirse al cátodo acoplado con una capacidad aumentada para conducir electrones, permite que los organismos reciban directamente electrones que pasan a través del cátodo desde el electrodo negativo de la fuente de energía. El uso de organismos metanogénicos con pili modificados por ingeniería genética unidos al cátodo aumentarán enormemente la eficacia de la conversión de la fuente de energía eléctrica en metano.

Características fenotípicas

En realizaciones ejemplares, las “características fenotípicas de transformación CO2” de un metanógeno o microorganismo de Methanothermobacer se refiere a una o más de las siguientes;

(1) ser capaz de presentar una alta eficacia de producción de metano por molécula de dióxido de carbono (CO2);

(2) ser capaz de presentar un alto nivel de productividad de metano (por molécula de dióxido de carbono suministrada);

(3) ser capaz de presentar un alto nivel de productividad de metano (por gramo de biomasa producida);

(4) ser capaz de presentar un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas (es decir, en una fase estacionaria o en una fase casi estacionaria);

(5) ser capaz de necesitar de un modo significativo menos nutrientes para el mantenimiento y crecimiento de los microorganismos.

Las “características fenotípicas de la transformación de CO2” ejemplares de un metanógeno o microorganismo de Methanothermobacter pueden incluir una o más de las siguientes:

(1) presentar una alta eficacia de producción de metano que es al menos o de aproximadamente 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular;

(2) producir al menos o aproximadamente 96 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas al microorganismo;

(3) producir al menos o aproximadamente 17 gramos de metano por gramo de material celular producido.

En realizaciones ejemplares, las “características fenotípicas” de un metanógeno o microorganismo de Methanothermobacter se refiere a una o más de las siguientes:

(a) ser capaz de presentar una eficacia de producción de metano que es al menos o de aproximadamente 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular; o

(b) ser capaz de sobrevivir con un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas (es decir, en una fase estacionaria o en una fase casi estacionaria); o

(c) ser capaz de presentar una densidad de cultivo celular de al menos o de aproximadamente 6 mg de masa seca de células/ml de cultivo en una fase estacionaria o en una fase casi estacionaria; o

(d) ser capaz de retornar a al menos el 80 % de nivel de productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos, después de una exposición de al menos o de aproximadamente 3 minutos a oxígeno o monóxido de carbono; o

(e) una combinación (por ejemplo, una combinación de (a) -(d) o una subcombinación de (a) a (d)) de las mismas.

En realizaciones ejemplares, las “características fenotípicas” del metanógeno o microorganismo de Methanothermobacter se refiere a

(1) autotrófico y cualquiera de termófilo o hipertermófilo; y

(2) ser capaz de retornar a al menos el 80 % (por ejemplo, el 90 %, el 95 %, el 98 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos, después de una exposición de al menos 10 minutos a oxígeno (por ejemplo, oxígeno en el aire ambiental) o monóxido de carbono;

y una cualquiera o más de las siguientes:

(3) ser capaz de presentar una eficacia de producción de metano que es al menos o aproximadamente de 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular (por ejemplo, al menos o aproximadamente 40, 50, 60 o 70 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular), opcionalmente presentando al mismo tiempo un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas;

(4) ser capaz de sobrevivir con un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas (por ejemplo, un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 80, 90 o 100 horas) durante al menos 30 días (por ejemplo, durante al menos aproximadamente 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 o 12 meses);

(5) ser capaz de mantener de manera continuada la eficacia de producción de metano de (3) durante al menos 30 días (por ejemplo, durante al menos o aproximadamente 6 meses, al menos o aproximadamente 12 meses), opcionalmente con un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas (por ejemplo, un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 80, 90 o 100 horas); y

(6) ser capaz de retornar a al menos el 80 % (por ejemplo, el 90 %, el 95 %, el 98 %) de la productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos de resuministro de gas H2 o de electricidad, después de estar en un estado inactivo durante al menos 2 horas, como se induce interrumpiendo o cesando el aporte de gas H2 o de electricidad.

En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter es (1) autotrófico y cualquiera de termófilo o hipertermófilo; y (2) capaz de retornar a al menos el 80 % (por ejemplo, el 90 %, el 95 %, el 98 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos, después de una exposición de al menos 10 minutos a oxígeno (por ejemplo, oxígeno en aire ambiental) o monóxido de carbono; y uno cualquiera o más de lo siguiente:

(3) ser capaz de presentar una eficacia de producción de metano que es de al menos o de aproximadamente 40 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular (por ejemplo, al menos o aproximadamente 70 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular), opcionalmente al mismo tiempo que presenta un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 100 horas;

(4) ser capaz de sobrevivir con un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 100 horas durante al menos 6 meses (por ejemplo, durante al menos aproximadamente 7, 8, 9, 10, 11 o 12 meses);

(5) ser capaz de mantener de manera continua la eficacia de producción de metano de (3) durante al menos 30 días (por ejemplo, durante al menos o aproximadamente 6 meses, al menos o aproximadamente 12 meses), opcionalmente al mismo tiempo en una fase estacionaria o en una fase casi estacionaria que tiene un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 100 horas; y

(6) ser capaz de retornar a al menos el 80 % (por ejemplo, el 90 %, el 95 %, el 98 %) de la productividad de metano en el estado operativo al cabo de 10 minutos de resuministro de gas H2 o de electricidad, después de estar en un estado inactivo durante al menos 2 horas, como se induce interrumpiendo o cesando el aporte de gas H2 o de electricidad.

Autótrofo: En aspectos ejemplares, los microorganismos de la divulgación son autótrofos. Como se usa en el presente documento, el término “autótrofo” se refiere a un microorganismo capaz de usar dióxido de carbono, ácido fórmico y/o monóxido de carbono y una fuente de poder reductor para proporcionar todo el carbono y energía necesarios para el crecimiento y mantenimiento de la célula (por ejemplo, microorganismo). Las fuentes adecuadas de poder reductor pueden incluir, pero sin limitación, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno, azufre, ácido fórmico, monóxido de carbono, metales reducidos, azúcares (por ejemplo, glucosa, fructosa), acetato, fotones o electrodos catódicos o una combinaciones de los mismos. En aspectos ejemplares, los microorganismos autótrofos de la divulgación obtienen poder reductor a partir de un cátodo o de hidrógeno.

Termófilos o hipertermófilos: En aspectos ejemplares, los microorganismos de la divulgación son termófilos o hipertermófilos. Como se usa en el presente documento, el término “termófilo” se refiere a un organismo que tiene una temperatura de crecimiento óptima de aproximadamente 50 °C o más, por ejemplo, dentro de un intervalo de aproximadamente 50 °C a aproximadamente 80 °C, de aproximadamente 55 °C a aproximadamente 75 °C, o de aproximadamente 60 °C a aproximadamente 70 °C (por ejemplo, de aproximadamente 60 °C a aproximadamente 65 °C, de aproximadamente 65 °C a aproximadamente 70 °C). Como se usa en el presente documento, el término “hipertermófilo” se refiere a un organismo que tiene una temperatura de crecimiento óptima de aproximadamente 80 °C o más, por ejemplo, en un intervalo de aproximadamente 80 °C a aproximadamente 105 °C.

Resiliencia al oxígeno o al monóxido de carbono: Los organismos metanogénicos se consideran como anaerobios extremadamente estrictos. Se sabe que el oxígeno que es un inhibidor de la catálisis enzimática tanto de la captación de hidrógeno como de la metanogénesis. Se considera que un bajo potencial de oxidorreducción (POR) en el medio de crecimiento es importante para la metanogénesis. En realizaciones ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter de la divulgación es sustancialmente resiliente a la exposición a oxígeno, en la medida en que el microorganismo retorna a un nivel de productividad de metano que es sustancialmente el mismo que el nivel de productividad de metano presentado antes de la exposición a oxígeno al cabo de un periodo de tiempo relativamente corto. En realizaciones ejemplares, los microorganismos de la divulgación tienen la capacidad de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a oxígeno) al cabo de 10 minutos después de una exposición de al menos 3 minutos a oxígeno (por ejemplo, oxígeno en aire ambiental). En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de exposición a oxígeno) al cabo de 10 minutos después de una exposición de al menos 4 minutos a oxígeno (por ejemplo oxígeno en aire ambiental). En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a oxígeno) al cabo de 10 minutos después de una exposición de al menos 5 minutos a oxígeno (por ejemplo oxígeno en aire ambiental). En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a oxígeno) al cabo de 10 minutos después de una exposición de al menos 6 minutos a oxígeno (por ejemplo oxígeno en aire ambiental). En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a oxígeno) al cabo de 10 minutos después de una exposición de al menos 7 minutos a oxígeno (por ejemplo, oxígeno en aire ambiental). En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a oxígeno) al cabo de 10 minutos después de una exposición de al menos 8 minutos a oxígeno (por ejemplo, oxígeno en aire ambiental). En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a oxígeno) al cabo de 10 minutos después de una exposición de al menos 9 minutos a oxígeno (por ejemplo, oxígeno en aire ambiental). En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es el 100 % del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a oxígeno) al cabo de 10 minutos después de una exposición de al menos 3 minutos a oxígeno (por ejemplo, oxígeno en aire ambiental). En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a oxígeno) al cabo de 20 minutos después de la exposición de al menos 10 minutos a oxígeno (por ejemplo, oxígeno en aire ambiental). En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos 80 % (por ejemplo, al menos 85 %, al menos 90 %, al menos 95 %, al menos 98 %, 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de exposición a oxígeno) al cabo de 10 minutos después de una exposición de al menos 10 minutos a oxígeno (por ejemplo, oxígeno en aire ambiental). En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a oxígeno) al cabo de 5 minutos o al cabo de 2 minutos después de una exposición de al menos 10 minutos a oxígeno (por ejemplo oxígeno en aire ambiental). En aspectos ejemplares, la exposición a oxígeno es de al menos 30 minutos, de al menos 60 minutos, de al menos 90 minutos, 2 horas, 4 horas, 6 horas, 8 horas, 10 horas, 15 horas, 24 horas, 48 horas, 72 horas o más. En realizaciones ejemplares, el nivel de productividad de metano en el estado operativo está dentro del intervalo de aproximadamente 300 VVD a aproximadamente 500 VVD. La resiliencia a la exposición a oxígeno puede ensayarse de acuerdo con métodos conocidos en la técnica o como se describe en el Ejemplo 4.

El monóxido de carbono (CO) es otro inhibidor conocido de enzimas implicadas tanto en la captación de hidrógeno como en la metanogénesis. En realizaciones ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter de la divulgación es sustancialmente resiliente a la exposición a CO, en la medida en que el microorganismo retorna a un nivel de productividad de metano que es sustancialmente el mismo que el nivel de productividad de metano presentado antes de exposición a Co al cabo de un período de tiempo relativamente corto. En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de exposición a CO) al cabo de 20 minutos después de una exposición de al menos 10 minutos a CO. En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a CO) al cabo de 10 minutos después de una exposición de al menos 3 minutos a CO. En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a CO) al cabo de 10 minutos después de una exposición de al menos 4 minutos a CO. En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a CO) al cabo de 10 minutos después de una exposición de al menos 5 minutos a CO. En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a CO) al cabo de 10 minutos después de una exposición de al menos 6 minutos a CO. En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a CO) al cabo de 10 minutos después de una exposición de al menos 7 minutos a CO. En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a CO) al cabo de 10 minutos después de una exposición de al menos 8 minutos a CO. En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a CO) al cabo de 10 minutos después de una exposición de al menos 9 minutos a CO. En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a CO) al cabo de 10 minutos después de una exposición de al menos 3 minutos a CO. En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a CO) al cabo de 10 minutos después de una exposición de al menos 10 minutos a CO. En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a un nivel de productividad de metano que es al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) del nivel de productividad de metano en el estado operativo (por ejemplo, antes de la exposición a CO) al cabo de 5 minutos o al cabo de 2 minutos después de una exposición de al menos 10 minutos a CO. En aspectos ejemplares, la exposición a CO es de al menos 30 minutos, al menos 60 minutos, al menos 90 minutos, 2 horas, 4 horas, 6 horas, 8 horas, 10 horas, 15 horas, 24 horas, 48 horas, 72 horas o más. En realizaciones ejemplares, el nivel de productividad de metano en el estado operativo está dentro de un intervalo de aproximadamente 300 VVD a aproximadamente 500 VVD. La resiliencia a exposición a CO puede ensayarse de acuerdo con métodos conocidos en la técnica o como se describe en el Ejemplo 4.

Eficacia de la producción de Metano. Se ha comunicado que los microorganismos metanogénicos de origen natural en la fase de crecimiento activo producen metano a una proporción de aproximadamente 8 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular, variando hasta una proporción de aproximadamente 20 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular. En realizaciones ejemplares, los microorganismos actualmente divulgados demuestran una eficacia aumentada, en particular cuando se adaptan en cultivo a condiciones de crecimiento de fase estacionaria. Por consiguiente, en aspectos ejemplares, la proporción del número de moléculas de CO2 transformadas en metano con respecto al número de moléculas de CO2 transformadas en material celular de los microorganismos divulgados es mayor que la proporción de microorganismos metanogénicos de origen natural en la fase de crecimiento activo. La proporción del número de moléculas de CO2 transformadas en metano con respecto al número de moléculas de CO2 transformadas en material celular de los microorganismos de la divulgación puede ser N:1, en el que N es un número mayor de 20, por ejemplo aproximadamente, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80 o mayor. En algunas realizaciones, N es menor de 500, menor de 400, menor de 300 o menor de 200. En algunas realizaciones, N varía de aproximadamente 40 a aproximadamente 150. En realizaciones ejemplares, el microorganismo muestra una eficacia de producción de metano por molécula de dióxido de carbono (CO2) que es de al menos o de aproximadamente 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular (por ejemplo, al menos o aproximadamente 40, 50, 60 o 70 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular). En realizaciones ejemplares, el microorganismo muestra una eficacia de producción de metano por molécula de dióxido de carbono (CO2) que es al menos o aproximadamente de 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular (por ejemplo, al menos o aproximadamente 40, 50, 60 o 70 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular) al mismo tiempo que presenta un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas (por ejemplo, un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 80, 90 o 100 horas). Los métodos de determinación del número de moléculas de dióxido de carbono transformadas en metano por molécula de dióxido de carbono transformada en material celular son conocidos en la técnica e incluyen el método descrito en el Ejemplo 3.

En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de mantener de manera continua durante al menos 30 días (por ejemplo, durante al menos o aproximadamente 6 meses, al menos o aproximadamente 12 meses) una eficacia de producción de metano por molécula de dióxido de carbono (CO2) que es de al menos o de aproximadamente 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular (por ejemplo, al menos o aproximadamente 40 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular, al menos o aproximadamente 70 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular). En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de mantener de manera continuada durante al menos o aproximadamente 12 meses una eficacia de producción de metano por molécula de dióxido de carbono (CO2) que es de al menos o de aproximadamente 70 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular. En realizaciones ejemplares, los microorganismos de la divulgación son capaces de mantener de manera continuada tal eficacia de producción de metano mientras se encuentran en una fase estacionaria o una fase casi estacionaria, teniendo un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 36 o 72 horas (por ejemplo, un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 80, 90,100, 240 horas).

En aspectos ejemplares, los microorganismos de la divulgación demuestran un alto nivel de productividad de metano por molécula de dióxido de carbono suministrada. Por ejemplo, el microorganismo de Methanothermobacter produce al menos o aproximadamente 96 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas al microorganismo. En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter produce al menos 96 (por ejemplo, al menos 96,0, 96,1, 96,2, 96,3, 96,4, 96,5, 96,6, 96,7, 96,8, 96,9, 97,0, 97,1, 97,2, 97,3, 97,4, 97,5, 97,6, 97.7, 97,8, 97,9, 98,0, 98,1, 98,2, 98,3, 98,4, 98,5, 98,6, 98,7, 98,9, 98,9, 99,0, 99,1, 99,2, 99,3, 99,4, 99,5, 99,6, 99.7, 99,8 o 99,9) moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas al microorganismo. En aspectos ejemplares, el microorganismo produce al menos o aproximadamente 96 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas al microorganismo cuando no más de 25 moléculas de hidrógeno se suministran al microorganismo por cada 6 moléculas de metano producidas u, opcionalmente, no más de 200 moléculas de hidrógeno se suministran por cada 49 moléculas de metano producidas.

En aspectos ejemplares, los microorganismos de la divulgación demuestran un alto nivel de productividad de metano frente a la de productividad material celular o biomasa. Por ejemplo, el microorganismo de Methanothermobacter produce al menos o aproximadamente 17 gramos de metano por gramo de material celular o biomasa producido. En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter produce al menos 18 gramos de metano por gramo de material celular o biomasa producido. En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter produce al menos 19 gramos de metano por gramo de material celular o biomasa producido. En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter produce al menos 20 gramos de metano por gramo de material celular o biomasa producido. En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter produce al menos 25 gramos de metano por gramo de material celular o biomasa producido. En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter produce al menos 30 gramos de metano por gramo de material celular o biomasa producido. En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter produce al menos 35 gramos de metano por gramo de material celular o biomasa producido. En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter produce al menos 18 gramos de metano por gramo de material celular o biomasa producido. En aspectos ejemplares, el microorganismo de Methanothermobacter produce al menos aproximadamente 40 gramos de metano por gramo de material celular o biomasa producido. En aspectos ejemplares, el microorganismo produce al menos o aproximadamente 17 gramos de metano por gramo de biomasa producido, cuando no más de 25 moléculas de hidrógeno se suministran al microorganismo por cada 6 moléculas de metano producidas u, opcionalmente, no más de 200 moléculas de hidrógeno se suministran por cada 49 moléculas de metano producidas.

Estados operativos. Los microorganismos de la divulgación pueden existir en cualquier momento en un estado inactivo o en un estado operativo. Como se usa en el presente documento, la expresión “estado inactivo” se refiere a un estado en el que los microorganismos divulgados no producen metano (es decir, no producen metano a un nivel detectable). En aspectos ejemplares, el estado inactivo se induce interrumpiendo o cesando (es decir, reteniendo) el aporte de gas H2 o de electricidad al microorganismo. Como se usa en el presente documento, la expresión “estado operativo” se refiere a un estado en el que los microorganismos divulgados están produciendo metano (es decir, produciendo metano a un nivel detectable). En aspectos ejemplares, el estado operativo se induce suministrando (por ejemplo, resuministrando) un aporte de gas H2 o de electricidad al microorganismo.

En aspectos ejemplares, los microorganismos de la divulgación transicionan o ciclan entre un estado operativo y un estado inactivo. En aspectos ejemplares, los microorganismos de la divulgación transicionan o ciclan entre un estado operativo y un estado inactivo sin disminuir su nivel de productividad de metano. En aspectos ejemplares, los microorganismos de la divulgación mantienen sustancialmente el nivel de productividad de metano del estado operativo después de la transición fuera de un estado inactivo. Como se usa en el presente documento, la expresión “mantiene sustancialmente el nivel de productividad de metano” se refiere a un nivel de productividad de metano que no difiere en más del 20 % (por ejemplo, dentro de aproximadamente el 10 % mayor o menor) de un primer nivel de productividad de metano. Por consiguiente, en aspectos ejemplares, los microorganismos de la divulgación son sustancialmente resilientes a ponerse en un estado inactivo durante un período de tiempo relativamente prolongado, en la medida en que los microorganismos retornan al nivel de productividad de metano presentado antes de ponerse en el estado inactivo dentro de un periodo de tiempo relativamente corto.

En aspectos ejemplares, después de haber estado en un estado inactivo durante al menos 2 horas como se induce interrumpiendo o cesando el aporte de hidrógeno o electricidad, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) de la productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos de resuministro de hidrógeno o electricidad. En aspectos ejemplares, después de haber estado en un estado inactivo durante al menos 2 horas, como se induce interrumpiendo o cesando el aporte de hidrógeno o electricidad, el microorganismo de divulgación es capaz de retornar a al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) de la productividad de metano en el estado operativo al cabo de 10 minutos de resuministro de hidrógeno o electricidad. En aspectos ejemplares, después de haber estado en un estado inactivo durante al menos 2 horas, como se induce por la interrupción o cese del aporte de hidrógeno o electricidad, el microorganismo de la divulgación es capaz de retornar a al menos el 80 % (por ejemplo, al menos el 85 %, al menos el 90 %, al menos el 95 %, al menos el 98 %, el 100 %) de la productividad de metano en el estado operativo al cabo de 5 minutos o al cabo de 2 minutos de resuministro de hidrógeno o electricidad. En aspectos ejemplares, el microorganismo está en un estado inactivo durante al menos 2 horas (por ejemplo, al menos 4 horas, 6 horas, 8 horas, 10 horas, 15 horas, 24 horas, 48 horas, 72 horas o más) como se induce interrumpiendo o cesando el aporte de hidrógeno o electricidad. En aspectos ejemplares, el microorganismo se expone a un estado en el que el aporte de hidrógeno o electricidad se interrumpe o cesa durante un período de al menos 2 horas (por ejemplo, al menos 4 horas, 6 horas, 8 horas, 10 horas, 15 horas, 24 horas, 48 horas, 72 horas o más). En realizaciones ejemplares, el nivel de productividad de metano en el estado operativo está dentro de un intervalo de aproximadamente 300 VVD a aproximadamente 500 VVD.

Fases de crecimiento. Cuando los microorganismos están en un estado operativo, los microorganismos metanogénicos pueden estar en una de una diversidad de fases de crecimiento, que difieren con respecto a la velocidad de crecimiento de los microorganismos (que puede expresarse, por ejemplo, como el tiempo de duplicación del número de microorganismo o de la masa celular). Las fases de crecimiento normalmente observadas incluyen una fase de retardo, una fase de crecimiento activo (también conocida como fase exponencial o logarítmica cuando los microorganismos se multiplican rápidamente), una fase estacionaria y una fase de muerte (disminución exponencial o logarítmica del número de células). En algunas realizaciones, los microorganismos de la divulgación están en una fase de latencia, una fase de crecimiento activo, una fase estacionaria o una fase casi estacionaria.

En algunas realizaciones, los microorganismos metanogénicos están en una fase de crecimiento activo en la que los microorganismos metanogénicos se multiplican de manera activa a una velocidad rápida. En algunos aspectos, el tiempo de duplicación de los microorganismos puede ser rápido o similar al observado durante la fase de crecimiento en su entorno natural o en un entorno rico en nutrientes. Por ejemplo, el tipo de duplicación de los microorganismos metanogénicos en la fase de crecimiento activo es de aproximadamente 15 minutos, aproximadamente 20 minutos, aproximadamente 30 minutos, aproximadamente 45 minutos, aproximadamente 60 minutos, aproximadamente 75 minutos, aproximadamente 80 minutos, aproximadamente 90 minutos o aproximadamente 2 horas.

La fase estacionaria representa una fase de crecimiento en la que, después de la fase de crecimiento activo logarítmica, la velocidad de la división celular y la velocidad de la muerte celular están en equilibrio o cerca del equilibrio, y así, se mantiene una concentración relativamente constante de microorganismos en el reactor. (Véase, Eugene W. Nester, Denise G. Anderson, C. Evans Roberts Jr., Nancy N. Pearsall, Martha T. Nester; Microbiology: A Human Perspective, 2004, Cuarta Edición, Capítulo 4).

En realizaciones ejemplares, los microorganismos metanogénicos están en una fase de crecimiento estacionario o fase de crecimiento casi estacionario en la que los microorganismos metanogénicos no crecen rápidamente o tienen una velocidad de crecimiento sustancialmente reducida. En algunas realizaciones, el tiempo de duplicación de los microorganismos metanogénicos es de aproximadamente 1 día o mayor, incluyendo aproximadamente 30 horas, 36 horas, 48 horas, 72 horas, 80 horas, 90 horas, 100 horas, 110 horas, 120 horas, 200 horas, 240 horas, 2, 3, 4, 5, 6 días o mayor o de aproximadamente 1, 2, 3, 4 semanas o mayor o 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 o 12 meses o mayor.

En realizaciones ejemplares, los microorganismos metanogénicos son capaces de sobrevivir en una fase estacionaria o en una fase casi estacionaria que tiene un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas cuando se les proporciona gas CO2 a una velocidad de al menos o de aproximadamente 34 VVD. En realizaciones ejemplares, los microorganismos metanogénicos son capaces de sobrevivir en una fase estacionaria o una fase casi estacionaria que tiene un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas cuando se les proporciona gas CO2 a una velocidad de al menos o de aproximadamente 34 VVD y con un poder reductor suficiente para reducir al menos el 90 % del CO2. En aspectos ejemplares, el poder reductor es gas hidrógeno (H2) suministrado a una velocidad de al menos 122 VVD. En aspectos ejemplares, el poder reductor es corriente eléctrica.

En realizaciones ejemplares, los microorganismos metanogénicos son capaces de sobrevivir en una fase estacionaria o en una fase casi estacionaria que tiene un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas (por ejemplo, un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 80, 90 o 100 horas) durante un periodo de tiempo que es al menos de 7 días consecutivos (por ejemplo, durante al menos aproximadamente 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 o 12 meses). En realizaciones ejemplares, los microorganismos metanogénicos son capaces de sobrevivir en una fase estacionaria o en una fase casi estacionaria que tiene un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas (por ejemplo, un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 80, 90 o 100 horas) durante un periodo de tiempo que es al menos de 30 días consecutivos (por ejemplo, durante al menos aproximadamente 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 o 12 meses).

En realizaciones ejemplares, los microorganismos metanogénicos son capaces de sobrevivir en una fase estacionaria o en una fase casi estacionaria que tiene un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 72 horas (por ejemplo, un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 80, 90 o 100 horas) durante un periodo de tiempo que es al menos de 30 días (por ejemplo, durante al menos aproximadamente 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 o 12 meses).

En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación, mientras están una fase estacionaria o en una fase casi estacionaria que tiene un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 36, 72 horas (por ejemplo, un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 80, 90, 100, 240 horas) es capaz de mantener de manera continuada durante al menos de 30 días (por ejemplo, durante al menos o aproximadamente 6 meses, al menos o aproximadamente 12 meses) una eficacia de producción de metano que es al menos o de aproximadamente 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en materia celular (por ejemplo, al menos o aproximadamente 40 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular, al menos o de aproximadamente 70 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en materia celular). En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación, mientras está en una fase estacionaria o en una fase casi estacionaria que tiene un tiempo de duplicación de al menos o de aproximadamente 100 horas, es capaz de mantener de manera continuada durante al menos 12 meses una eficacia de producción de metano que es de al menos o de aproximadamente 70 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en materia celular.

En realizaciones ejemplares, los microorganismos metanogénicos están inicialmente en una fase de crecimiento activo y posteriormente en una fase estacionaria o casi estacionaria. En realizaciones ejemplares, cuando están en una estado operativo, el ciclo de los microorganismos metanogénicos entre una fase de crecimiento activo y una fase estacionaria o casi estacionaria. En aspectos ejemplares, los microorganismos de la divulgación transicionan o ciclan entre una fase de crecimiento activa y una fase estacionaria o casi estacionaria sin disminuir su eficacia de producción de metano, como se ha descrito anteriormente.

Combinaciones de características fenotípicas. Con respecto al listado anterior de características fenotípicas, (1) y (2) puede considerarse como las características necesarias de los microorganismos de la divulgación, mientras que (3), (4), (5) y (6) pueden considerarse como características opcionales de los microorganismos de la divulgación. En realizaciones ejemplares, los microorganismos de la divulgación presentan (1), (2), (3), (4), (5) y (6). En aspectos ejemplares, el microorganismo de la divulgación presenta, además de (1) y (2), una combinación de características fenotípicas seleccionadas del grupo que consiste en: [(3), (4) y (5)], [(3) y (4)], [(3)], [(3) y (5)], [(3) y (6)], [(4), (5) y (6)], [(4) y (5)], [(4)], [(4) y (6)], [(5) y (6)], [(5)] y [(6)]. En el presente documento se contemplan todas las combinaciones y subcombinaciones de las mismas.

Características fenotípicas adicionales: En realizaciones ejemplares, los microorganismos de la divulgación presentan características fenotípicas adicionales (además de las características fenotípicas expuestas anteriormente como (1) a (6)).

En aspectos ejemplares, el microorganismos es (i) capaz de producir metano mediante metanogénesis hidrogenotrópica en las condiciones de aporte de gas de hidrógeno (H2) máximas y en un fermentador como se describe en el Ejemplo 2 a (un volumen de metano a temperatura convencional y presión producidas por día) dividido entre el volumen líquido del cultivo (VVD) de al menos aproximadamente 300 VVD; (ii) capaz de producir metano mediante metanogénesis electrobiológica en las condiciones y en una célula como se describe en el Ejemplo 2 a una VVD de al menos aproximadamente 300 VVD; o ambos de (i) y (ii). En realizaciones ejemplares, los microorganismos de la divulgación son capaces de producir metano a partir de dióxido de carbono y gas H2 mediante metanogénesis hidrogenotrópica. En realizaciones ejemplares, el microorganismo es capaz de producir metano mediante metanogénesis hidrogenotrópica en las condiciones de aporte de gas H2 máximas y en un fermentador como se describe en el Ejemplo 2 a una VVD de al menos aproximadamente 300 VVD (por ejemplo, al menos o aproximadamente 500 VVD, al menos o aproximadamente 1000 VVD, al menos o aproximadamente 2000 VVD, al menos o aproximadamente 3000 VVD, al menos o aproximadamente 5000 VVD, al menos o aproximadamente 10.000 VVD. En aspectos ejemplares, el microorganismo es capaz de producir no más de 100.000 VVD en tales condiciones. En realizaciones ejemplares, los microorganismos de la divulgación son capaces de producir metano a partir de dióxido de carbono, electricidad y agua, mediante un proceso conocido como metanogénesis electrobiológica. En realizaciones ejemplares, el microorganismo es capaz de producir metano mediante metanogénesis electrobiológica en las condiciones y en una célula como se describe en el Ejemplo 2 a una VVD de al menos aproximadamente 300 VVD (por ejemplo, al menos o aproximadamente 500 VVD, al menos aproximadamente 1000 VVD, al menos o aproximadamente 2000 VVD, al menos o aproximadamente 3000 VVD, al menos o aproximadamente 5000 VVD, al menos o aproximadamente 10.000 VVD. En aspectos ejemplares, el microorganismo es capaz de producir no más de 100.000 VVD en tales condiciones. En el Ejemplo 2 se exponen, por ejemplo, métodos de determinación de la productividad de metano en unidades de VVD.

La actividad catalítica específica de los microorganismos metanogénicos puede expresarse como la proporción de moles de metano formados por hora con respecto a moles de carbono en la biomasa microbiológica formados por hora. En algunas condiciones, uno de los sustratos necesarios puede estar limitando la reacción, en cuyo caso la capacidad catalítica específica puede superar la actividad catalítica específica medida. Por lo tanto, un aumento en el sustrato limitante conduciría a un aumento en la actividad catalítica específica observada. En otras condiciones, la actividad catalítica específica observada puede saturarse con sustrato, en cuyo caso un aumento en la concentración de sustrato no produciría un aumento en la actividad catalítica específica. En condiciones de saturación de sustrato, la actividad catalítica específica observada igualaría a la capacidad catalítica específica. En el Ejemplo 5 se describen, por ejemplo, métodos de determinación de la actividad catalítica específica para la producción de metano.

En realizaciones ejemplares, los microorganismos de la divulgación que crecen en condiciones de estado estacionario (por ejemplo, en condiciones como se describe en el Ejemplo 1) son capaces de presentar una capacidad catalítica específica que está en exceso de la actividad catalítica específica que soporta su crecimiento. En realizaciones ejemplares, la actividad catalítica específica de los microorganismos de la divulgación es al menos 10 veces mayor que la observada durante el crecimiento en estado estacionario con tiempos de duplicación en el intervalo de 100 horas. En realizaciones ejemplares, el microorganismo de la divulgación es capaz de producir metano a una velocidad o una cantidad que es coherente con el aumento en el hidrógeno o electricidad suministrados a los microorganismos. Por ejemplo, en aspectos ejemplares, los microorganismos son capaces de producir un aumento de X veces en la producción de metano en respuesta a un aumento de X veces en el aporte de gas H2 o electricidad, en el que X es cualquier número mayor de 1, por ejemplo, 2, 5, 10. En realizaciones ejemplares, cuando se suministra un aumento de dos veces de aporte de hidrógeno (por ejemplo, de 0,2 l/min a 0,4 l/min), los microorganismos de la divulgación son capaces de presentar un aumento de dos veces en la productividad de metano.

En aspectos ejemplares, el microorganismo de la divulgación presenta resiliencia o resistencia adicional a la exposición a contaminantes distintos de oxígeno o monóxido de carbono, tales como, por ejemplo, etanol, óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno. En aspectos ejemplares, los microorganismos de la divulgación son capaces de retornar sustancialmente el nivel de productividad de metano después de la exposición a un contaminante seleccionado del grupo que consiste en: etanol, óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno. En aspectos ejemplares, los microorganismos de la divulgación son capaces de retornar a un nivel de productividad de metano que es de al menos el 80 % del nivel de productividad de metano observada en el estado operativo al cabo de 20 minutos (por ejemplo, al cabo de 10 minutos, al cabo de 5 minutos, al cabo de 2 minutos) después de una exposición de al menos 10 minutos al contaminante.

Adicionalmente, los microorganismos en realizaciones ejemplares presentan características fenotípicas distintas que las descritas en el presente documento como (1) a (6) y (i) y (ii).

En aspectos ejemplares, los microorganismos metanogénicos presentan una densidad de cultivo celular de al menos o de aproximadamente 6 mg de masa seca (por ejemplo, 6 mg, 7 mg, 8 mg, 9 mg, 10 mg, 11 mg, 12 mg, 13 mg, 14 mg, 15 mg, 16 mg, 17 mg, 18 mg, 19 mg, o 20 mg) de células/ml de cultivo en una fase estacionaria o una fase casi estacionaria. En aspectos ejemplares, los microorganismos metanogénicos presentan una densidad de cultivo celular de al menos o de aproximadamente 6 mg de masa seca (por ejemplo, 6 mg, 7 mg, 8 mg, 9 mg, 10 mg, 11 mg, 12 mg, 13 mg, 14 mg, 15 mg, 16 mg, 17 mg, 18 mg, 19 mg o 20 mg) de células/ml de cultivo en una fase estacionaria o fase casi estacionaria durante al menos o aproximadamente 15 días consecutivos. En aspectos ejemplares, los microorganismos metanogénicos presentan una densidad de cultivo celular de al menos o de aproximadamente 6 mg de masa seca (por ejemplo, 6 mg, 7 mg, 8 mg, 9 mg, 10 mg, 11 mg, 12 mg, 13 mg, 14 mg, 15 mg, 16 mg, 17 mg, 18 mg, 19 mg o 20 mg) de células/ml de cultivo en una fase estacionaria o fase casi estacionaria durante al menos o aproximadamente 20 días consecutivos. En aspectos ejemplares, los microorganismos metanogénicos presentan una densidad de cultivo celular de al menos o de aproximadamente 6 mg de masa seca (por ejemplo, 6 mg, 7 mg, 8 mg, 9 mg, 10 mg, 11 mg, 12 mg, 13 mg, 14 mg, 15 mg, 16 mg, 17 mg, 18 mg, 19 mg, o 20 mg) de células/ml de cultivo en una fase estacionaria o una fase casi estacionaria durante al menos o aproximadamente 25 días consecutivos. En aspectos ejemplares, los microorganismos metanogénicos presentan una densidad de cultivo celular de al menos o de aproximadamente 6 mg de masa seca (por ejemplo, 6 mg, 7 mg, 8 mg, 9 mg, 10 mg, 11 mg, 12 mg, 13 mg, 14 mg, 15 mg, 16 mg, 17 mg, 18 mg, 19 mg o 20 mg) de células/ml de cultivo en una fase estacionaria o fase casi estacionaria durante al menos o aproximadamente 30 días consecutivos.

Cultivos

La divulgación proporciona adicionalmente cultivos que comprenden un microorganismo de Methanothermobacter de la divulgación, por ejemplo, un microorganismo de Methanothermobacter que es un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, depositada el 21 de diciembre de 2010 en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561, una variante de un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus o una progenie de un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus. El término “cultivo” como se usa en el presente documento se refiere a una población de microorganismos vivos en o sobre medio de cultivo.

Monocultivos, cultivos sustancialmente puros

En algunas realizaciones, el cultivo es un monocultivo y/o es un cultivo sustancialmente puro. Como se usa en el presente documento el término “monocultivo” se refiere a una población de microorganismos procedentes o descendientes de una única especie (que puede incluir múltiples cepas) o de una única cepa de microorganismo. El monocultivo en algunos aspectos es “puro”, es decir, casi homogéneo, excepto por (a) mutaciones de origen natural que pueden producirse en la progenie y (b) contaminación natural mediante microorganismos no metanogénicos resultantes de la exposición a condiciones no estériles. Los organismos en monocultivo pueden crecerse, seleccionarse, adaptarse, manipularse, modificarse, mutarse o transformarse, por ejemplo por selección o adaptación en condiciones específicas, irradiación o técnicas del ADN recombinantes, sin perder su naturaleza de monocultivo.

Como se usa en el presente documento, un “cultivo sustancialmente puro” se refiere a un cultivo que carece sustancialmente de microorganismos distintos de las especies o cepas deseadas de microorganismos. En otras palabras, un cultivo sustancialmente puro de una cepa de microorganismo carece sustancialmente de otros contaminantes, que pueden incluir contaminantes microbianos (por ejemplo, organismos de distintas especies o cepas). En algunas realizaciones, el cultivo sustancialmente puro es un cultivo en el que más de o aproximadamente el 70 %, más de o aproximadamente el 75 %, más de o aproximadamente el 80 %, más de o aproximadamente el 85 %, más de o aproximadamente el 90 %, más de o aproximadamente el 91 %, más de o aproximadamente el 92 %, más de o aproximadamente el 93 %, más de o aproximadamente el 94 %, más de o aproximadamente el 95 %, más de o aproximadamente el 96 %, más de o aproximadamente el 97 %, más de o aproximadamente el 98 %, más de o aproximadamente el 99 %, de la población total de los microorganismos del cultivo es una única especie o cepa de microorganismo metanogénicos. A modo de ejemplo, en algunas realizaciones, el cultivo sustancialmente puro es un cultivo en el que más del 70 %, 75 %, 80 %, 85 %, 90 %, 91 %, 92 %, 93 %, 94 %, 95 %, 96 %, 97 %, 98 %, 99 % o más de la población total de microorganismos del cultivo es una única especie de microorganismo metanogénico, por ejemplo, de Methanothermobacter thermautotrophicus.

En realizaciones ejemplares, el cultivo inicialmente es un monocultivo puro o sustancialmente puro. A medida que el cultivo se expone a condiciones no estériles, el cultivo puede contaminarse con otros microorganismos no metanogénicos en el entorno sin impactar significativamente en la eficacia de producción de metano a lo largo de un periodo 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 meses o 1,5 o 2 años.

Cultivos mixtos

En otras realizaciones, el cultivo comprende una pluralidad de (por ejemplo, una mezcla o combinación de dos o más) especies distintas de microorganismos metanogénicos. En algunos aspectos, el cultivo comprende dos, tres, cuatro, cinco, seis, siete, ocho, nueve, diez o más especies distintas de microorganismos metanogénicos. En algunos aspectos, el cultivo comprende una pluralidad de especies distintas de microorganismos metanogénicos, pero el cultivo carece sustancialmente de cualquier microorganismo no metanogénico.

En todavía otras realizaciones, el cultivo comprende una pluralidad de microorganismos de especies distintas, en que al menos uno es un microorganismo metanogénico de la divulgación. En algunos aspectos de esta realización, el cultivo comprende al menos uno de los microorganismos metanogénicos divulgados y adicionalmente comprende al menos uno de los microorganismos no metanogénicos seleccionados. En algunos aspectos, el cultivo comprende dos o más especies distintas de metanógenos, de los cuales uno es un microorganismo metanogénico divulgado y opcionalmente comprende al menos un microorganismo no metanogénico seleccionado.

Medios de cultivo

El cultivo que comprende los microorganismos metanogénicos, por ejemplo, las arqueas metanogénicas, puede mantenerse en o cobre un medio de cultivo. En algunas realizaciones, el medio de cultivo es una solución o suspensión (por ejemplo, una solución acuosa). En otras realizaciones, el medio de cultivo es un sólido o semisólido. En otras realizaciones más, el medio de cultivo comprende o es un gel, una gelatina o una pasta.

En realizaciones ejemplares, el medio de cultivo es uno que estimula la fase de crecimiento activo de los microorganismos metanogénicos. En aspectos ejemplares, el medio de cultivo comprende materiales, por ejemplo nutrientes, en cantidades no limitantes que soportan el crecimiento relativamente rápido de los microorganismos. Los materiales y cantidades de cada material del medio de cultivo que soporta la fase activa de los microorganismos metanogénicos variará dependiendo de la especie o cepa de los microorganismos del cultivo. Sin embargo, se encuentra dentro de la habilidad del experto habitual en la técnica determinar los contenidos del medio de cultivo adecuados para soportar la fase activa de los microorganismos del cultivo. En algunas realizaciones, el medio de cultivo estimula o permite una fase estacionaria de los microorganismos metanogénicos. En algunas realizaciones, un medio de cultivo soportará la fase de crecimiento activa cuando los microorganismos no han alcanzado o se han aproximado a concentraciones de células viables suficientes para inhibir la velocidad de crecimiento, a través del agotamiento de un nutriente esencial y/o de la producción de metabolitos tóxicos, aunque el mismo medio de cultivo soportará una fase de crecimiento estacionario o casi estacionario para el microorganismo cuando la concentración de células viables alcance un determinado nivel, que un experto en la técnica puede determinar fácilmente de modo empírico. Los componentes del medio de cultivo ejemplares y las concentraciones se describen con mayor detalle más adelante. Usando esta directriz, pueden seleccionarse variaciones alternativas para especies particulares para la metanogénesis electrobiológica en el estado operativo del reactor biológico usando técnicas bien conocidas en el campo.

Materiales inorgánicos: elementos inorgánicos, minerales y sales

En algunas realizaciones, el medio para el cultivo de arqueas comprende uno o más nutrientes que son elementos inorgánicos o sales de los mismos. Los elementos inorgánicos comunes incluyen pero sin limitación fuentes de sodio, potasio, magnesio, calcio, hierro, cloro, azufre tales como sulfuro de hidrógeno o azufre elemental, fuentes de fósforo tal como fosfato y fuentes de nitrógeno tal como amonio, gas nitrógeno o nitrato. Las fuentes ejemplares incluyen NaCl, NaHCOa, KCl, MgCh , MgSO4, CaCh , sulfato ferroso, Na2HPO4, NaH2PO4 H2O, H2S, Na2S, NH4OH, N2 y NaNO3. En algunas realizaciones, el medio de cultivo comprende adicionalmente uno o más oligoelementos seleccionados del grupo que consiste en iones de bario, bromo, boro, cobalto, yodo, manganeso, cromo, cobre, níquel, selenio, vanadio, titanio, germanio, molibdeno, silicio, hierro, flúor, plata, rubidio, estaño, circonio, cadmio, cinc, tungsteno y aluminio. Estos iones pueden proporcionarse, por ejemplo, en sales de oligoelementos, tales como H3BO3, Ba(C2H3O2)2, KBr, CoCh-6H2O, KI, MnCh-2H²O, Cr(SO⁴)³-15H²O, CuSO⁴-5H²O, NiSO4-6H2O, H2SeO3, NaVO3, TiCl4, GeO2 (NH⁴)6MoyO²⁴-4H²O, Na²SiO³-9H²O, FeSO⁴-7H²O, NaF, AgNO3, RbCl, SnCl2 ,ZrOCl2-8H2O, CdSO⁴-8H²O, ZnSO⁴-7H²O, Fe(NO³)³-9H²ONa²WO⁴, AlCl³-6H²O.

En algunas realizaciones, el medio comprende uno o más minerales seleccionados del grupo que consiste en níquel, cobalto, sodio, magnesio, hierro, cobre, manganeso, cinc, boro, fósforo, azufre, nitrógeno, selenio, tungsteno, aluminio y potasio, incluyendo cualquier sal no tóxica adecuada de los mismos. Por lo tanto, en algunas realizaciones, los minerales en el medio se proporcionan como sales minerales. Cualquier sal o hidrato adecuado puede usarse para preparar el medio. Por ejemplo, y en algunas realizaciones, los medios comprenden una o más de las siguientes sales minerales: Na3nitrilotriacetato, ácido nitrilotriacético, N O 2-6H2O, CoCh-6H2O, Na2MoO4-H2O, MgCl2-6H2O, FeSO4-H2O, Na2SeO3, Na2WO4, KH2PO4, y NaCl. En algunas realizaciones, puede añadirse L-cisteína como un tampón de reducción-oxidación (rédox) para soportar las fases tempranas de crecimiento de un cultivo de baja densidad. En algunas realizaciones, el medio comprende níquel, opcionalmente N O 2-6H2O en una cantidad de aproximadamente 0,001 mM a aproximadamente 0,01 mM, por ejemplo, 0,002 mM, 0,003 mM, 0,004 mM, 0,005 mM, 0,006 mM, 0,007 mM, 0,008 mM, 0,009 mM, o cualquier combinación de los extremos del intervalo anterior. En algunas realizaciones, los medios comprenden una fuente de nitrógeno, por ejemplo, hidróxido de amoniaco o cloruro de amoniaco en una cantidad de aproximadamente 1 mM a aproximadamente 10 mM, por ejemplo, 2 mM, 3 mM, 4 mM, 5 mM, 6 mM, 7 mM, 8 mM, 9 mM, o cualquier combinación de los extremos del intervalo anterior. En algunas realizaciones, los medios comprenden cobalto, por ejemplo, CoCh-6H2O en una cantidad de aproximadamente 0,001 mM a aproximadamente 0,01 mM, por ejemplo, 0,002 mM, 0,003 mM, 0,004 mM, 0,005 mM, 0,006 mM, 0,007 mM, 0,008 mM, 0,009 mM o cualquier combinación de los extremos del intervalo anterior. En algunas realizaciones, los medios comprenden molibdeno, una fuente de molibdeno o molibdato, por ejemplo, Na2MoO4-H2O, en una cantidad de aproximadamente 0,005 mM a aproximadamente 0,05 mM, por ejemplo, 0,006 mM, 0,007 mM, 0,008 mM, 0,009 mM, 0,01 mM, 0,02 mM, 0,03 mM, 0,04 mM o cualquier combinación de los extremos del intervalo anterior. En algunas realizaciones, los medios comprenden magnesio, por ejemplo, MgCh-6H2O, en una cantidad de aproximadamente 0,5 mM a aproximadamente 1,5 mM, por ejemplo, 0,6 mM, 0,7 mM, 0,8 mM, 0,9 mM, 1,0 mM, 1,1 mM, 1,2 mM, 1,3 mM, 1,4 mM o cualquier combinación de los extremos del intervalo anterior. En algunas realizaciones, los medios comprenden hierro, por ejemplo, FeSO4-H2O, en una cantidad de aproximadamente 0,05 mM a aproximadamente 0,5 mM, por ejemplo, 0,06 mM, 0,07 mM, 0,08 mM, 0,09 mM, 0,1 mM, 0,2 mM, 0,3 mM, 0,4 mM, o cualquier combinación de los extremos del intervalo anterior. En algunas realizaciones, los medios comprenden una fuente de azufre o sulfato en una cantidad de aproximadamente 0,05 mM a aproximadamente 0,5 mM, por ejemplo, 0,06 mM, 0,07 mM, 0,08 mM, 0,09 mM, 0,1 mM, 0,2 mM, 0,3 mM, 0,4 mM, o cualquier combinación de los extremos del intervalo anterior. En algunas realizaciones, los medios comprenden selenio, una fuente de selenio o selenato, por ejemplo, Na2SeO3, en una cantidad de aproximadamente 0,005 mM a aproximadamente 0,05 mM, por ejemplo, 0,006 mM, 0,007 mM, 0,008 mM, 0,009 mM, 0,01 mM, 0,02 mM, 0,03 mM, 0,04 mM o cualquier combinación de los extremos del intervalo anterior. En algunas realizaciones, los medios comprenden tungsteno, una fuente de tungsteno o tungstato, por ejemplo, Na2WO4, en una cantidad de aproximadamente 0,005 mM a aproximadamente 0,05 mM, por ejemplo, 0,006 mM, 0,007 mM, 0,008 mM, 0,009 mM, 0,01 mM, 0,02 mM, 0,03 mM, 0,04 mM, o cualquier combinación de los extremos del intervalo anterior. En algunas realizaciones, los medios comprenden potasio, por ejemplo, KH2PO4, en una cantidad de aproximadamente 5 mM a aproximadamente 15 mM, por ejemplo, 6 mM, 7 mM, 8 mM, 9 mM, 10 mM, 11 mM, 12 mM, 13 mM, 14 mM, o cualquier combinación de los extremos del intervalo anterior. En algunas realizaciones, los medios comprenden fósforo, una fuente de fósforo o fosfato, por ejemplo, KH2PO4, en una cantidad de aproximadamente 5 mM a aproximadamente 15 mM, por ejemplo, 6 mM, 7 mM, 8 mM, 9 mM, 10 mM, 11 mM, 12 mM, 13 mM, 14 mM, o cualquier combinación de los extremos del intervalo anterior. En algunas realizaciones, los medios comprenden NaCl en una cantidad de aproximadamente 5 mM a aproximadamente 15 mM, por ejemplo, 6 mM, 7 mM, 8 mM, 9 mM, 10 mM, 11 mM, 12 mM, 13 mM, 14 mM, o cualquier combinación de los extremos del intervalo anterior.

En algunas realizaciones, el microorganismo se adapta para preferir condiciones altas de sal, por ejemplo de aproximadamente 1,5 M a aproximadamente 5,5 M de NaCl, de aproximadamente 3 M a aproximadamente 4 M de NaCl. En algunas realizaciones, el microorganismo se adapta para crecer en condiciones más altas de sal que las de su entorno normal.

En algunas realizaciones, el medio de cultivo sirve para más de un fin. Por consiguiente, en algunos aspectos, el medio de cultivo soporta el crecimiento y/o supervivencia de los microorganismos del cultivo y sirve como un medio electrolítico cátodo dentro de un biorreactor. Un electrólito es una sustancia que, cuando se disuelve en agua, permite que la corriente fluya a través de la solución. La conductividad (o conductancia específica) de un medio electrolítico es una medida de su capacidad para conducir electricidad. La unidad de SI de conductividad es Siemens por metro (S/m) y a menos que se califique de otra manera, se mide a una temperatura estándar a 25 °C. El agua desionizada puede tener una conductividad de aproximadamente 5,5 |iS/m, mientras que el agua de mar tiene una conductividad de aproximadamente 5 S/m (es decir, la conductividad del agua del mar es un millón de veces más alta que la del agua desionizada).

La conductividad se determina tradicionalmente midiendo la resistencia AC de la solución entre dos electrodos o mediante medidores de inductancia toroidales.

La conductividad limitante del hierro en agua a 298 K para iones ejemplares:

En algunas realizaciones, el medio de cultivo comprende una concentración alta de sal con el fin de aumentar la conductividad del electrolito cátodo del medio/reactor del cultivo. La conductividad se ajusta fácilmente, por ejemplo, añadiendo NaCl hasta que se consiga la conductividad deseada. En realizaciones ejemplares, la conductividad del medio/electrolito está en el intervalo de aproximadamente 5 mS/cm a aproximadamente 100 mS/cm. Esta conductividad se consigue fácilmente dentro del intervalo de concentraciones de sal que son compatibles con la vida de las arqueas metanogénicas. En algunas realizaciones, la conductividad del medio/electrolito está en el intervalo de aproximadamente 100 mS/cm a aproximadamente 250 mS/cm, que es ejemplar de un medio de alta conductividad.

Vitaminas

En algunos aspectos, las vitaminas están sustancialmente ausentes del medio de cultivo, para reducir la contaminación por no metanógenos y/o para disminuir el coste del medio de cultivo, y por los tanto, el coste global del reactor biológico. Sin embargo, es posible hacer funcionar el reactor biológico usando medios complementados con una o más vitaminas seleccionadas del grupo que consiste en ácido ascórbico, biotina, cloruro de colina; D-Ca++ pantotenato, ácido fólico, i-inositol, menadiona, niacinamida, ácido nicotínico, ácido paraminobenzoico (PABA), piridoxal, piridoxina, riboflavina, tiamina-HCl, vitamina A acetato, vitamina B12 y vitamina D2. En algunas realizaciones, el medio se complementa con una vitamina que es esencial para la supervivencia del microorganismo metanogénico, pero otras vitaminas están sustancialmente ausentes.

Otros materiales

El medio de cultivo en algunas realizaciones comprende materiales distintos de compuestos inorgánicos y sales. Por ejemplo, el medio de cultivo en algunas realizaciones, comprende un agente quelante. Los agentes quelantes adecuados se conocen en la técnica e incluyen pero sin limitación ácido nitrilotriacético y/o sales del mismo. Además, en algunos aspectos, el medio de cultivo comprende un tampón rédox, por ejemplo, cistina, para soportar una fase de crecimiento activo temprana en un cultivo de baja densidad.

Fuentes de carbono

En algunos aspectos, el medio de cultivo comprende una fuente de carbono, por ejemplo, dióxido de carbono, ácido fórmico o monóxido de carbono. En algunas realizaciones, el medio de cultivo comprende una pluralidad de estas fuentes de carbono en combinación. En realizaciones ejemplares, las fuentes de carbono orgánico están sustancialmente ausentes para reducir la contaminación mediante no metanógenos.

Fuentes de nitrógeno

En algunas realizaciones, el medio de cultivo comprende una fuente de nitrógeno, por ejemplo, amonio, amoníaco anhidro, sales de amonio y similares. En algunas realizaciones, el medio de cultivo puede comprender nitrato o sales de nitrito como una fuente de nitrógeno, aunque se prefieren los compuestos de nitrógeno químicamente reducidos. En algunos aspectos, el medio de cultivo carece sustancialmente de una fuente de nitrógeno orgánico, por ejemplo, urea, agua de macerado de maíz, caseína, extracto de peptona y levadura y extracto de carne. En algunas realizaciones puede servir como una fuente de nitrógeno el nitrógeno diatómico (N2), bien solo o en combinación con otras fuentes de nitrógeno.

Oxígeno

Los metanógenos que son principalmente anaerobios pueden a pesar de todo ser capaces de sobrevivir periodos prolongados de estrés por oxígeno, por ejemplo exposición a aire ambiental durante al menos 6, 12, 18 o 24 horas, o 2 días, 3 días, 4 días, 5 días, 6 días, 1 semana o más. De manera ideal, la exposición al aire es durante 4 días o menos, o 3 días o menos, o 2 días o menos, o 24 horas o menos. La producción de metano puede continuar en presencia de concentraciones de oxígeno tan altas como el 2-3% de fase gaseosa durante periodos prolongados (al menos días). Sin embargo, los organismos anaerobios crecerán de manera óptima en condiciones de bajas cantidades de oxígeno. En algunas realizaciones, el reactor biológico excluye sustancialmente oxígeno para promover altos niveles de producción de metano.

En algunas realizaciones, el sistema comprende diversos métodos y/o características que reducen la presencia de oxígeno en la corriente de CO2 que se suministra al reactor biológico. Cuando los microorganismos metanogénicos anaerobios obligados se usan para catalizar la formación de metano, la presencia de oxígeno puede ser perjudicial para el desempeño del proceso y contamina el gas producto. Por lo tanto, la reducción de la presencia de oxígeno en la corriente de CO2 es útil para mejorar el proceso. En una realización, el oxígeno se retira por tratamiento previo de la corriente de gas en un reactor biológico. En esta realización, el reductor puede proporcionarse bien proporcionando una fuente de material orgánico (por ejemplo, glucosa, almidón, celulosa, residuos de fermentación de una planta de etanol, residuos de suero de la leche, etc.) que pueden servir como sustrato para una fermentación oxidativa. El catalizador biológico microbiano se elige para fermentar de un modo oxidativo la fuente orgánica elegida, que produce CO2 a partir del oxígeno contaminante. En otra realización, la retirada de oxígeno se realiza en el vaso de fermentación principal mediante un cultivo mixto de microbios que incluye uno capaz de fermentación oxidativa y una fuente orgánica añadida además de metanógeno autotrófico necesario para la producción de metano. Un ejemplo de un cultivo mixto adecuado se aisló originalmente como "Methanobacillus omelianskii’ y se obtuvo fácilmente de fuentes ambientales (Bryant et al. Archiv Microbiol 59: 20-31 (1967) “Methanobacillus omelianskii, a symbiotic association of two species of bacteria”). En otra realización, el dióxido de carbono en la corriente de gas de entrada se purifica de gases contaminantes incluyendo oxígeno, mediante absorción selectiva o mediante separación por membrana. Se conocen en la técnica los métodos para preparar dióxido de carbono suficientemente carente de oxígeno.

Medios ejemplares

En algunas realizaciones, el medio de cultivo comprende los siguientes componentes: Na3nitrilotriacetato, ácido nitrilotriacético, N O 2-6H2O, CoCh-6H2O, Na2MoO4-H2O, MgCh-6H2O, FeSO4-H2O, Na2SeO3, Na2WO4, KH2PO4 y NaCl. En algunas realizaciones, puede añadirse cisteína como un tampón rédox para soportar fases tempranas del crecimiento de un cultivo de baja densidad. En algunas realizaciones, los medios comprenden Na3nitrilotriacetato (0,81 mM), ácido nitrilotriacético (0,4 mM), N O 2-6H2O (0,005 mM), CoCh-6H2O (0,0025 mM), Na2MoO4-H2O (0,0025 mM), MgCh-6H2O (1,0 mM), FeSO4-H2O (0,2 mM), Na2SeO3 (0,001 mM), Na2WO4 (0,01 mM), KH2PO4 (10 mM) y NaCl (10 mM). Puede incluirse L-cisteína (0,2 mM).

En algunas realizaciones, el medio de cultivo comprende los siguientes componentes: KH2PO4, NH4Cl, NaCl, Na3nitrilotriacetato, N O 2-6H2O, CoCh-H2O, Na²MoO⁴-2H²O, FeSO⁴-7H²O, MgCh-6H2O, Na2SeO3, Na2WO4, Na2S-9H2O. Un medio de cultivo que comprende estos componentes puede denominarse en el presente documento como Medio 1, que es capaz de soportar la supervivencia y/o crecimiento de los microorganismos metanogénicos originalmente derivados de un entorno terrestre, por ejemplo, una especie de Methanothermobacter. Por lo tanto, en algunas realizaciones, el reactor biológico comprende un cultivo de Methanothermobacter y un medio de cultivo de Medio 1. En algunos aspectos, el medio de cultivo se ajusta con NH4OH a un pH entre aproximadamente 6,8 y aproximadamente 7,3. En algunas realizaciones, el medio de cultivo no solo soporta el crecimiento de y/o supervivencia de y/o producción de metano por los microorganismos metanogénicos sino que también sirve como el medio electrolítico cátodo adecuado para conducir la electricidad dentro del reactor. Por consiguiente, en algunos aspectos, la conductividad del medio de cultivo está en el intervalo de aproximadamente 5 mS/cm a aproximadamente 100 mS/cm o aproximadamente 100 mS/cm a aproximadamente 250 mS/cm.

En algunas realizaciones, el KH2PO4 está presente en el medio a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 1 mM a aproximadamente 100 mM, por ejemplo, aproximadamente 2 mM, aproximadamente 50 mM, aproximadamente 5 mM a aproximadamente 20 mM.

En algunas realizaciones, el NH4Cl está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 10 mM a aproximadamente 1500 mM, por ejemplo, de aproximadamente 20 mM a aproximadamente 600 mM, de aproximadamente 60 mM a aproximadamente 250 mM.

En algunas realizaciones, el NaCl está presente en el medio de cultivo dentro del intervalo de aproximadamente 1 mM a aproximadamente 100 mM, por ejemplo, aproximadamente 2 mM, aproximadamente 50 mM, de aproximadamente 5 mM a aproximadamente 20 mM.

En algunas realizaciones, el Na3nitrilotriacetato está presente en el medio de cultivo dentro del intervalo de aproximadamente 0,1 mM a aproximadamente 10 mM, por ejemplo, 0,20 mM a aproximadamente 6 mM, de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 2,5 mM.

En algunas realizaciones, el N O 2-6H2O está presente en el medio de cultivo dentro del intervalo de aproximadamente 0,00025 a aproximadamente 0,025 mM, por ejemplo, de aproximadamente 0,005 mM a aproximadamente 0,0125 mM, de aproximadamente 0,0005 mM a aproximadamente 0,005 mM.

En algunas realizaciones, el CoCh-H2O está presente en el medio de cultivo dentro del intervalo de aproximadamente 0,0005 mM a aproximadamente 0,05 mM, por ejemplo, de aproximadamente 0,001 mM a aproximadamente 0,025 mM, de aproximadamente 0,0025 mM a aproximadamente 0,01 mM.

En algunas realizaciones, el Na²MoO⁴-2H²O está presente en el medio de cultivo dentro del intervalo de aproximadamente 0,00025 mM a aproximadamente 0,025 mM, por ejemplo, de aproximadamente 0,0005 mM a aproximadamente 0,0125 mM, de aproximadamente 0,00125 mM a aproximadamente 0,005 mM.

En algunas realizaciones, el FeSO⁴-7H²O está presente en el medio de cultivo dentro del intervalo de aproximadamente 0,02 mM a aproximadamente 2 mM, por ejemplo, de aproximadamente 0,04 mM a aproximadamente 1 mM, de aproximadamente 0,1 mM a aproximadamente 0,4 mM.

En algunas realizaciones, el MgCh-6H2O está presente en el medio de cultivo dentro del intervalo de aproximadamente 0,1 mM a aproximadamente 10 mM, por ejemplo, de aproximadamente 0,2 mM a aproximadamente 5 mM, de aproximadamente 0,5 mM a aproximadamente 2 mM.

En algunas realizaciones, el Na2SeO3 está presente en el medio de cultivo dentro del intervalo de aproximadamente 0,0001 mM a aproximadamente 0,01 mM, por ejemplo, de aproximadamente 0,0002 mM a aproximadamente 0,005 mM, de aproximadamente 0,0005 mM a aproximadamente 0,002 mM.

En algunas realizaciones, el Na2WO4 está presente en el medio de cultivo dentro del intervalo de aproximadamente 0,001 mM a aproximadamente 0,1 mM, por ejemplo, de aproximadamente 0,05 mM a aproximadamente 0,05 mM, de aproximadamente 0,005 mM a aproximadamente 0,02 mM.

En algunas realizaciones, el Medio 1 se complementa con componentes, tal como sulfuro, que soporta la fase de crecimiento activo o la multiplicación relativamente rápida del microorganismo. Por consiguiente, en algunos aspectos, el medio de cultivo comprende una concentración superior de sulfuro, por ejemplo, 0,1 mM a aproximadamente 10 mM (por ejemplo, de aproximadamente 0,2 mM a aproximadamente 5 mM, de aproximadamente 0,5 mM a aproximadamente 2 mM), de aproximadamente 0,5 a 5 mM, o de aproximadamente Na²S-9H²O 1 mM, y preferentemente mayor de Na²S-9H²O 0,01 mM, opcionalmente con un pH entre aproximadamente 6,8 y aproximadamente 7,0. En otras realizaciones, el Medio 1 soporta la fase de crecimiento estacionario o casi estacionario del microorganismo y el medio comprende una concentración inferior de sulfuro. Por consiguiente, en algunos aspectos, el cultivo comprende aproximadamente Na²S-9H²O 0,01 mM o menos, y no Na²S-9H²O 1 mM, opcionalmente con un pH entre aproximadamente 7,2 y aproximadamente 7,4.

En algunas realizaciones, el medio de cultivo comprende los siguientes componentes: KH2PO4, NaCl, NH4Cl, Na²CO³, CaCl2 x 2H2O, MgCh x 6H2O, FeCh x 4H2O, NiCh x 6H2O, Na²SeO³x 5 H2O, Na²WO⁴x H2O, MnCh x 4H2O, ZnCl2, H3BO3, CoCl2 x 6H2O, CuCl2 x 2H2O, Na2MoO4 x 2H2O, ácido Nitrilotriacético, ácido Na3nitrilotriacético, KAI(SO4)2 x 12 H2O, Na2S x 9H2O. Un medio de cultivo que comprende estos componentes puede denominarse en el presente documento como Medio 2, el cual es capaz de soportar la supervivencia y/o el crecimiento de microorganismos metanogénicos originalmente obtenidos de un entorno marino, por ejemplo, una especie de Methanocaldooccus, especie de Methanotorris, especie de Methanopyrus o especie de Methanothermococcus. En algunos aspectos, el medio de cultivo se ajusta con NH4OH a un pH entre aproximadamente 6,3 y aproximadamente 6,8 (por ejemplo de aproximadamente 6,4 a aproximadamente 6,6). En algunas realizaciones, el medio de cultivo no solo soporta el crecimiento y/o la supervivencia de y/o la producción de metano por los microorganismos metanogénicos sino que también sirve como el medio electrolítico cátodo adecuado para conducir la electricidad dentro del reactor. Por consiguiente, en algunos aspectos, la conductividad del medio de cultivo está en el intervalo de aproximadamente 5 mS/cm a aproximadamente 100 mS/cm o de aproximadamente 100 mS/cm a aproximadamente 250 mS/cm.

En algunas realizaciones, el KH2PO4 está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 0,35 mM a aproximadamente 37 mM, por ejemplo, de aproximadamente 0,7 mM a aproximadamente 0,75 mM, de aproximadamente 1,75 mM a aproximadamente 7,5 mM.

En algunas realizaciones, el NaCl está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 17 mM a aproximadamente 1750 mM, por ejemplo, de aproximadamente 30 mM a aproximadamente 860 mM, de aproximadamente 80 mM a aproximadamente 350 mM.

En algunas realizaciones, el NH4CI está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 0,7 mM a aproximadamente 750 mM, por ejemplo, de aproximadamente 1,5 mM a aproximadamente 40 mM, de aproximadamente 3,75 mM a aproximadamente 15 mM.

En algunas realizaciones, el Na2CO3 está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 5 mM a aproximadamente 600 mM, por ejemplo, de 10 mM a aproximadamente 300 mM, de aproximadamente 30 mM a aproximadamente 150 mM.

En algunas realizaciones, el CaCh x 2H2O está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 50 mM, por ejemplo, 0,2 mM a aproximadamente 5 mM, de aproximadamente 0,5 mM a aproximadamente 2 mM.

En algunas realizaciones, el MgCh x 6H2O está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 3 mM a aproximadamente 350 mM, por ejemplo, de aproximadamente 6,5 mM a aproximadamente 175 mM, de aproximadamente 15 mM a aproximadamente 70 mM.

En algunas realizaciones, el FeCh x 4H2O está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 0,003 mM a aproximadamente 0,3 mM, por ejemplo, aproximadamente 0,006 mM a aproximadamente 0,15 mM, de aproximadamente 0,015 mM a aproximadamente 0,06 mM.

En algunas realizaciones, el NiCh x 6H2O está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 0,0005 mM a aproximadamente 0,007 mM, por ejemplo, 0,0012 mM a aproximadamente 0,03 mM, de aproximadamente 0,003 mM a aproximadamente 0,012 mM.

En algunas realizaciones, el Na2SeO3 x 5 H2O está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 0,0001 mM a aproximadamente 0,01 mM, por ejemplo, de aproximadamente 0,00025 mM a aproximadamente 0,01 mM, de aproximadamente 0,001 mM a aproximadamente 0,005 mM.

En algunas realizaciones, el Na2WO4 x H2O está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 0,0005 mM a aproximadamente 0,007 mM, por ejemplo, 0,0012 mM a aproximadamente 0,03 mM, de aproximadamente 0,003 mM a aproximadamente 0,012 mM.

En algunas realizaciones, el MnCh x 4H2O está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 0,003 mM a aproximadamente 0,4 mM, por ejemplo, de aproximadamente 0,08 mM a aproximadamente 2 mM, de aproximadamente 0,02 mM a aproximadamente 0,08 mM.

En algunas realizaciones, el ZnCh está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 0,0005 mM a aproximadamente 0,007 mM, por ejemplo, 0,0012 mM a aproximadamente 0,03 mM, de aproximadamente 0,003 mM a aproximadamente 0,012 mM.

En algunas realizaciones, el H3BO3 está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 0,0001 mM a aproximadamente 0,01 mM, por ejemplo, de aproximadamente 0,00025 mM a aproximadamente 0,01 mM, de aproximadamente 0,001 mM a aproximadamente 0,005 mM.

En algunas realizaciones, el CoC-i2 x 6H2O está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 0,0005 mM a aproximadamente 0,007 mM, por ejemplo, 0,0012 mM a aproximadamente 0,03 mM, de aproximadamente 0,003 mM a aproximadamente 0,012 mM.

En algunas realizaciones, el CuCh x 2H2O está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 0,00004 mM a aproximadamente 0,004 mM, por ejemplo, 0,00008 mM a aproximadamente 0,002 mM, de aproximadamente 0,0002 mM a aproximadamente 0,0008 mM.

En algunas realizaciones, el Na2MoO4 x 2H2O está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 0,00004 mM a aproximadamente 0,004 mM, por ejemplo, 0,00008 mM a aproximadamente 0,002 mM, de aproximadamente 0,0002 mM a aproximadamente 0,0008 mM.

En algunas realizaciones, el ácido nitrilotriacético está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 0,003 mM a aproximadamente 0,7 mM, por ejemplo, de aproximadamente 0,12 mM a aproximadamente 0,3 mM, de aproximadamente 0,03 mM a aproximadamente 0,12 mM.

En algunas realizaciones, el ácido Na3nitrilotriacético está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 0,002 mM a aproximadamente 0,2 mM, por ejemplo, de aproximadamente 0,004 mM a aproximadamente 0,1 mM, de aproximadamente 0,01 mM a aproximadamente 0,04 mM.

En algunas realizaciones, el KA1(SO⁴)²x 12 H2O está presente en el medio de cultivo a una concentración dentro del intervalo de aproximadamente 0,00004 mM a aproximadamente 0,004 mM, por ejemplo, 0,00008 mM a aproximadamente 0,002 mM, de aproximadamente 0,0002 mM a aproximadamente 0,0008 mM.

En algunas realizaciones, la concentración de sales en el Medio 2 se ajusta hacia arriba hasta el intervalo de 400 a 800 mM para la formulación del electrolito en el reactor. Adicionalmente, la concentración de sulfuro de cultivos relativamente estacionarios se ajusta hacia abajo hasta el intervalo de <0,01 mM (<1 ppm de sulfuro en la corriente de gas de salida).

En algunos ejemplos, los medios se rocían con una mezcla de gas H2: CO2 en una proporción 4:1. La mezcla de gas puede, en algunas realizaciones, generarse con controladores de flujo de masa a un flujo total de 250 ml/minuto. En algunas realizaciones, el medio debe rellenarse a una velocidad adecuada para mantener una concentración útil de minerales esenciales y para eliminar cualquiera de los productos metabólicos que pueden inhibir la metanogénesis. Las velocidades de dilución por debajo de 0,1 volúmenes de cultivo por hora son adecuadas, ya que producen concentraciones volumétricas altas de capacidad de generación de metano activo.

Condiciones de cultivo

Los microorganismos pueden cultivarse en cualquier conjunto de condiciones adecuadas para la supervivencia y/o producción de metano. Las condiciones adecuadas incluyen las descritas a continuación.

Temperatura

La temperatura del cultivo se puede mantener cerca de la temperatura óptima para el crecimiento del organismo usado en el cultivo (por ejemplo de aproximadamente 60 °C a aproximadamente 65 °C para termófilos tales como Methanothermobacter thermautotrophicus y Methanothermobacter marburgensis, y de aproximadamente 85 °C a aproximadamente 90 °C para organismos tales como Methanocaldococcus jannaschii, Methanocaldococcus fervens, Methanocaldococcus indicus, Methanocaldococcus infernus y Methanocaldococcus vulcanius). Sin embargo, se contempla que pueden usarse temperaturas por encima o por debajo de las temperaturas de crecimiento óptimo. De hecho, pueden obtenerse velocidades de conversión superiores de metano a temperaturas por encima de la temperatura de velocidad de crecimiento óptima. Se contemplan temperaturas de aproximadamente 50 °C o superiores, por ejemplo, de aproximadamente 51 °C o superiores, de aproximadamente 52 °C o superiores, de aproximadamente 53 °C o superiores, de aproximadamente 54 °C o superiores, de aproximadamente 55 °C o superiores, aproximadamente 56 °C o superiores, de aproximadamente 57 °C o superiores, de aproximadamente 58 °C o superiores, de aproximadamente 59 °C o superiores, de aproximadamente 60 °C a aproximadamente 150 °C, de aproximadamente 60 °C a aproximadamente 120 °C, de aproximadamente 60 °C a aproximadamente 100 °C, de aproximadamente 60 °C a aproximadamente 80 °C. Se contemplan temperaturas de aproximadamente 40 °C o superiores, o de aproximadamente 50 °C o superiores, por ejemplo de aproximadamente 40 °C a aproximadamente 150°C, de aproximadamente 50 °C a aproximadamente 150 °C, de aproximadamente 40 °C a aproximadamente 120 °C, de aproximadamente 50°C a aproximadamente 120 °C, de aproximadamente 40 °C a aproximadamente 100 °C o de aproximadamente 50 °C a aproximadamente 100 °C.

A la vista de lo anterior, la temperatura a la cual el cultivo se mantiene puede considerarse como una descripción de los microorganismos metanogénicos contemplados en el presente documento. Por ejemplo, cuando la temperatura del cultivo se mantiene a una temperatura entre 55 °C y 120 °C, el microorganismo metanogénico se considera como uno que puede cultivarse a esta temperatura. Por consiguiente, el microorganismo metanogénico en algunas realizaciones es un termófilo o un hipertermófilo. En algunos aspectos, el cultivo comprende un microorganismo metanogénico termófilo autótrofo o un microorganismo metanogénico hipertermófilo autótrofo. En algunos aspectos, el cultivo del reactor biológico comprende un microorganismo metanogénico termófilo autótrofo o un microorganismo metanogénico hipertermófilo autótrofo, cualquiera de los cuales es tolerante a un medio de cultivo de alta conductividad (por ejemplo, de aproximadamente 100 mS/cm a aproximadamente 250 mS/cm), como se describe en el presente documento, por ejemplo, un halófilo.

Las arqueas pueden ser capaces de sobrevivir durante periodos prolongados a temperaturas subóptimas. En algunas realizaciones, los microorganismos cultivados de la divulgación están adaptados para sobrevivir a temperatura ambiente (por ejemplo 22-28 °C) durante un período de al menos tres semanas a 1, 2, 3, 4, 5, 6 meses. En algunas divulgaciones, los organismos en el cultivo no son mesófilos. En algunas divulgaciones, el cultivo no se mantiene a una temperatura inferior o de aproximadamente 37 °C. Con respecto a los organismos termófilos o hipertermófilos (incluyendo, pero sin limitación, Methanothermobacter thermautotrophicus, Methanothermobacter marburgensis, Methanocaldococcus jannaschii, Methanocaldococcus fervens, Methanocaldococcus indicus, Methanocaldococcus infernus, y Methanocaldococcus vulcanius), en algunas divulgaciones, la temperatura del cultivo es por ejemplo de aproximadamente 60 °C a aproximadamente 150 °C, de aproximadamente 60 °C a aproximadamente 120 °C, de aproximadamente 60 °C a aproximadamente 100 °C o de aproximadamente 60 °C a aproximadamente 80 °C.

pH

Los microrganismos de la divulgación pueden adaptarse a sobrevivir en un intervalo de condiciones de pH. El pH del cultivo que comprende microorganismos metanogénicos de la divulgación puede estar entre aproximadamente 3,5 y aproximadamente 10,0, aunque para las condiciones del crecimiento, el pH puede estar entre aproximadamente 6,5 y aproximadamente 7,5. Por ejemplo, el pH del cultivo puede ser de aproximadamente 3,5, de aproximadamente 3,6, de aproximadamente 3,7, de aproximadamente 3,8, de aproximadamente 3,9, de aproximadamente 4,0, de aproximadamente 4,5, de aproximadamente 5,0, de aproximadamente 5,5, de aproximadamente 6,0, de aproximadamente 6,5, de aproximadamente 7,0, de aproximadamente 7,5, de aproximadamente 8,0, de aproximadamente 8,5, de aproximadamente 9,0, de aproximadamente 9,5, de aproximadamente 10,0. El pH de los medios de la divulgación puede ser ácido, por ejemplo, de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 5,5, de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 4, de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 3, de aproximadamente 1 a aproximadamente 3, o de aproximadamente 2 a aproximadamente 3. El pH de los medios de la divulgación puede ser próximo al pH neutro, por ejemplo de aproximadamente 6 a aproximadamente 8. El pH de los medios de la divulgación puede ser alcalino, por ejemplo, de aproximadamente 8,5 a aproximadamente 11, o de aproximadamente 8 a aproximadamente 10. El pH de los medios puede modificarse por medios conocidos en la técnica. Por ejemplo, el pH puede controlarse rociando CO2 y/o añadiendo ácido (por ejemplo, HCL) o base (por ejemplo, NaOH o NH4OH) según se requiera.

Presión y otros parámetros

En algunas realizaciones, los cultivos se mantienen en un recipiente de cultivo dentro de un intervalo de aproximadamente 0,5 atmósferas a aproximadamente 500 atmósferas. El cultivo puede mantenerse con una fuente de agitación, sacudida, mezclado intermitente, y similares. Además, en realizaciones ejemplares, el gas metano retirado del cultivo comprende adecuadamente menos de aproximadamente 450 ppm de sulfuro de hidrógeno, o como alternativa menos de aproximadamente 400 ppm, 300 ppm, 200 ppm, 150 ppm, 100 ppm, 50 ppm o 20 ppm del sulfuro de hidrógeno. Son adecuadas las velocidades de suministro de gas total (CO2) en el intervalo de un volumen de gas de 0,2 a 4 (STP) por volumen de cultivo por minuto, ya que mantienen y aprovechan altas concentraciones volumétricas de capacidad de generación de metano activo. En una realización, durante la metanogénesis el potencial rédox se mantiene por debajo de -100 mV o menor. El método de la divulgación incluye condiciones en las que el potencial rédox se aumenta transitoriamente por encima de -100 MV, como por ejemplo cuando se añade aire al sistema.

Envases de cultivo

Un reactor biológico, también conocido como un recipiente fermentador, biorreactor o simplemente reactor, como se expone en el presente documento, puede ser cualquier recipiente adecuado en el que tiene lugar la metanogénesis. Los reactores biológicos adecuados deben tener un tamaño en relación al volumen de la fuente de CO2. Las corrientes típicas de 997.903,214 kg de CO2/día de una fábrica de etanol de 378.541.178,4 l/año necesitarían un fermentador de recuperación de CO2/producción de metano de una capacidad total de aproximadamente 2.839.058,84 l. Serían adecuados los recipientes fermentadores similares a las unidades fermentadoras individuales de 2.839.058,84 l instaladas en tal fábrica de etanol.

Volumen y densidad del cultivo

La concentración de células vivas en el medio de cultivo (densidad del cultivo) se mantiene en algunas realizaciones por encima de 1 g de peso seco/l. En determinadas realizaciones, la densidad puede ser de 30 g de peso seco/l o mayor. El volumen de cultivo se basa en el volumen del poro dentro de la estructura de cátodo porosa dentro del reactor, más cualquier volumen necesario para rellenar cualquiera de los componentes auxiliares del sistema del reactor, tales como bombas y separadores de líquido/gas.

Medio de cultivo para reducir la contaminación por no metanógenos

La expresión “no metanógeno” como se usa en el presente documento se refiere a cualquier microorganismo que no es un metanógeno o que no es una célula hospedadora que expresa genes que permitan la metanogénesis. Por ejemplo, en algunas realizaciones, las arqueas se cultivan en condiciones en las que la temperatura, el pH, la salinidad, concentración de sulfuro, fuente de carbono, concentración de hidrógeno o fuente eléctrica se modifica de tal manera que el crecimiento de los no metanógenos se retrasa significativamente en tales condiciones. Por ejemplo, los metanógenos se pueden cultivar a una temperatura que es mayor de 37 °C. En algunos aspectos, los microorganismos metanogénicos se cultivan a una temperatura de al menos 50 °C o mayor, como se indica en el presente documento, por ejemplo 100 °C o más, para evitar la contaminación por no metanógenos mesófilos. En otras realizaciones, los metanógenos se cultivan en condiciones de alta salinidad (por ejemplo, >75 %) para evitar la contaminación por no metanógenos que no son capaces de crecer en condiciones de alta sal. En otras realizaciones más, los metanógenos se cultivan en condiciones en las que el pH de los medios de cultivo se modifica para que sea más ácido o más básico para reducir o eliminar la contaminación por no metanógenos que no son capaces de crecer en tales condiciones.

La contaminación por no metanógenos también puede realizarse minimizando en los medios las cantidades de nutrientes de carbono orgánico (por ejemplo, azúcares, ácidos grasos, aceites, etc.). Por ejemplo, en algunas realizaciones, los nutrientes orgánicos están sustancialmente ausentes del medio.

En algunas realizaciones, los componentes necesarios para el crecimiento de los organismos no metanogénicos están sustancialmente ausentes de los medios. Tales componentes incluyen, pero sin limitación, una o más fuentes de carbono orgánico, y/o una o más fuentes de nitrógeno orgánico, y/o una o más vitaminas. En algunas realizaciones está sustancialmente ausente de los medios el formato, acetato, etanol, metanol, metilamina y cualquier otro material orgánico metabólicamente disponible.

En algunas realizaciones, las condiciones de alta sal que permiten la supervivencia de los metanógenos puede retrasar el crecimiento de organismos contaminantes.

En algunas realizaciones, las altas temperaturas que permiten la supervivencia de los metanógenos pueden retrasar el crecimiento de organismos contaminantes.

La expresión “carece sustancialmente” o “ausente sustancialmente” o “excluye sustancialmente” como se usa en el presente documento se refiere a la condición cualitativa de carecer de una cantidad de un componente particular significativo suficiente para contribuir a la función deseada (por ejemplo, crecimiento de microorganismos, producción de metano). En algunas realizaciones, la expresión “carece sustancialmente” cuando se aplica a un componente determinado de los medios significa que los medios contienen menos del 5 %, 4 %, 3 %, 2 %, 1 %, 0,9 %, 0,8 %, 0,7 %, 0,6 %, 0,5 %, 0,4 %, 0,3 %, 0,2 %, 0,1 % o menos de ese componente. En algunas realizaciones, los medios no contienen cantidades detectables de un componente determinado.

Sistemas

La divulgación proporciona adicionalmente un sistema o aparato para transformar dióxido de carbono en metano que incluye un aporte de dióxido de carbono, una fuente de poder reductor y un microorganismo en conformidad con la divulgación, o una variante o progenie del mismo, como se describe anteriormente.

En aspectos ejemplares, la fuente de poder reductor (en su totalidad o en parte) es hidrógeno, por ejemplo, gas hidrógeno (H2). Por consiguiente, en aspectos ejemplares, el sistema de la presente divulgación incluye un aporte de dióxido de carbono, un aporte de gas hidrógeno y un microorganismo de acuerdo con la divulgación o una variante o progenie del mismo, como se describe en el presente documento.

En otros aspectos ejemplares, la fuente de poder reductor (en su totalidad o en parte) son electrones, por ejemplo, iones hidronio. Por consiguiente, en aspectos ejemplares, el sistema comprende un reactor biológico que tiene al menos un cátodo, un ánodo, un aporte de dióxido de carbono, agua y un microorganismo de acuerdo con la divulgación o una variante o progenie del mismo, como se describe en el presente documento. En aspectos ejemplares, el reactor biológico comprende al menos una primera cámara que incluye el cátodo, el microorganismo, su variante o progenie y agua, y una segunda cámara que incluye al menos el ánodo. En aspectos ejemplares, además del reactor biológico, el sistema incluye adicionalmente una fuente de electricidad acoplada al ánodo y al cátodo, un aporte de dióxido de carbono acoplado a la primera cámara y una salida para recibir metano de la primera cámara.

Realizaciones del digestor

Usando el microorganismo descrito anteriormente, es posible producir metano a partir de energía eléctrica en un proceso de dos etapas, tal como se indica esquemáticamente en la Fig. 1. La primera etapa usaría la energía eléctrica para fabricar gas hidrógeno a partir de agua en un sistema de electrólisis de agua 50 convencional. En una segunda etapa, el gas hidrógeno (a usar como energía reductora) después podría bombearse en una cámara de reacción metanogénica 52, tal como un reactor biológico como se describe con más detalle en la Publicación de Estados Unidos n.° 2009/0130734 de Laurens Mets.

En particular, la Fig. 2 ilustra una realización de una fábrica que usa los microorganismos descritos anteriormente. Una fuente de dióxido de carbono industrial (A) - por ejemplo una fábrica de etanol combustible - con dióxido de carbono efluente y demanda de gas natural, descarga dióxido de carbono a un tanque de recogida y almacenamiento de dióxido de carbono (B), por ejemplo. Un hidrolizador (C) produce hidrógeno, adecuadamente a partir de electrólisis. El hidrógeno producido por el hidrolizador (C) se recoge en un tanque de almacenamiento de hidrógeno (D). El hidrógeno y el dióxido de carbono de sus respectivos tanques de almacenamiento pueden suministrarse a través de un depurador de oxígeno (E) para la retirada de oxígeno de la corriente efluente de dióxido de carbono. Después de pasar a través del depurador de oxígeno (E), el hidrógeno y el dióxido de carbono se suministran al interior de un sistema digestor/fermentador/biorreactor (F) para la transformación de dióxido de carbono e hidrógeno en metano. Un tanque de almacenamiento que proporciona medio (I) también se conecta al sistema (F) para proporcionar el abastecimiento de nutrientes en el sistema (F). El gas metano descargado del sistema (F) pasa a través de un depurador de azufre (G) para recuperar azufre de la corriente de metano producto. El gas metano puede almacenarse después en un tanque de almacenamiento de metano (H).

Un biorreactor, que también se conoce como digestor o recipiente fermentador, como se expone en la presente divulgación es en cualquier recipiente adecuado en el que se tiene lugar la metanogénesis. Los biorreactores adecuados deberían tener un tamaño relativo al volumen de la fuente de dióxido de carbono. Las corrientes típicas de dióxido de carbono de 2.200.000 lb/día de una fábrica de etanol de 100.000.000 gal/año necesitaría un biorreactor de recuperación de dióxido de carbono/producción de metano de aproximadamente una capacidad total de 750.000 gal. Recipientes similares a las unidades fermentadores individuales de 750.000 gal normalmente instaladas en dicha fábrica de etanol pueden por tanto ser un biorreactor adecuado.

La Fig. 3 ilustra una realización de un biorreactor estratificado que puede usarse en la fábrica de la Fig. 2, por ejemplo. En esta realización, el biorreactor tiene la entrada de dióxido de carbono e hidrógeno en la parte inferior del biorreactor junto con los nutrientes para el biorreactor. Un impulsor mecánico se coloca en la parte superior del biorreactor y se usa para mover un aparato de mezclado dentro del biorreactor. El biorreactor tiene tres zonas, A, B y C. La zona A en la parte inferior del reactor es una zona de alto contenido en dióxido de carbono. La zona B en el centro del biorreactor tiene una presencia disminuida de dióxido de carbono y la zona C en la parte superior del reactor tiene poco o nada de dióxido de carbono. El metano producido y el medio gastado se retiran de la parte superior del biorreactor.

La Fig. 4 ilustra una realización de un biorreactor en cascada que puede en cambio usarse en la fábrica de la Fig. 2. En esta realización, el hidrógeno, el dióxido de carbono y todos los nutrientes celulares se suministran en la parte inferior de un primer compartimento (A). En este compartimento (A), incluso después del procesamiento, hay todavía un alto nivel de dióxido de carbono. El gas producido por la reacción en el primer compartimento (A) se transfiere después desde la parte superior del primer compartimento a la parte inferior de un segundo compartimento (B) junto con nutrientes celulares. En este segundo compartimento (B), el nivel de dióxido de carbono disminuye desde los niveles encontrados en el primer compartimento (A). El gas producido por la reacción en el segundo compartimento (B) se transfiere desde la parte superior del segundo compartimento (B) a la parte inferior de un tercer compartimento (C) junto con nutrientes celulares. En este tercer compartimento (C), la mayoría (si no todo) el dióxido de carbono se ha retirado y solamente se deja sin retirar el gas metano de la parte superior del compartimento. En cada uno de los compartimentos, el medio gastado puede retirarse de los mismos.

Realizaciones del reactor biológico

En la alternativa a las realizaciones del digestor, puede ser posible usar el microorganismo descrito anteriormente para procesar o transformar dióxido de carbono en metano usando un aparato electrobiológico. Los sistemas y aparatos de esta categoría se describen adicionalmente en la Solicitud de Patente Internacional n.° PCT/US2010/040944, presentada el 2 de julio de 2010. El aparato puede denominarse en el presente documento como un reactor biológico, biorreactor, procesador, convertidor o generador. Se reconocerá que esta designación no pretende limitar el papel que el convertidor puede realizar dentro de un sistema que incluye uno o más convertidores.

Por ejemplo, el aparato proporciona una fuente de energía basada en carbono no fósil. En este sentido, el aparato va a usarse para generar una fuente de energía que puede sustituirse por combustibles de carbono basados en fósiles, para reducir la dependencia de los combustibles de carbono basados en fósiles, por ejemplo. Adicionalmente, el aparato convierte o procesa el dióxido de carbono para generar esta fuente de energía. En este sentido, el aparato retira el dióxido de carbono del entorno, que puede ser una actividad beneficiosa en sí y por sí misma. Tal retirada de dióxido de carbono del medio puede realizarse retirando el dióxido de carbono directamente de la atmósfera o utilizando dióxido de carbono de otro proceso industrial e impidiendo de este modo que dicho dióxido de carbono se libere a la atmósfera o en un sistema de almacenamiento o en otro proceso. Adicionalmente, el aparato convierte o procesa el dióxido de carbono en metano usando electricidad para transformar la electricidad en otra fuente de energía cuando la demanda de electricidad puede ser tal que la electricidad de otra manera se desperdiciaría o comercializada con pérdidas para el productor de electricidad, por ejemplo. En este sentido, el aparato puede verse como parte de un sistema de almacenamiento de energía. En la operación de una red energética, o una central eléctrica individual u otra fuente de energía en la red, o como parte de una instalación no asociada con una red energética, o en la operación de un reactor biológico, uno o más reactores biológicos pueden usar la producción de energía disponible para consumir como una aporte de dióxido de carbono, agua o energía eléctrica y para producir metano u oxígeno cuando las condiciones de la empresa son favorables para proporcionar un incentivo mayor que para otro uso de tales aportes. Tales condiciones pueden existir cuando determinadas normas reguladoras, acuerdos de adquisición de energía, derechos de emisión de carbono, oportunidades futuras de comercio, capacidad de almacenamiento, demanda eléctrica, impuestos, exenciones o desgravaciones fiscales, contratos, preferencias del cliente, capacidad de transmisión, condiciones de fijación de precios u otros incentivos comerciales, pueden proporcionar suficiente valor para la operación del reactor biológico para producir metano u oxígeno o para consumir dióxido de carbono, agua o energía eléctrica. Además de los anteriores y otros usos, el aparato transforma energía eléctrica en metano que puede transmitirse mediante tuberías de transmisión de gas natural que en una base por unidad de energía, son menos costosas que las líneas de transmisión eléctrica y en algunas localidades los líneas de transmisión eléctrica pueden no tener tanta capacidad de transmisión disponible como las líneas de transmisión de gas natural. En este sentido, el aparato puede verse como parte de un sistema de transmisión de energía. Todas estas funciones puede realizarlas un aparato de acuerdo con la divulgación.

Como se ilustra en la Fig. 5, el reactor biológico de acuerdo con la divulgación puede incluir un envase que se divide en al menos una primera cámara y una segunda cámara. En la primera cámara se dispone al menos un cátodo, y en la segunda cámara se dispone al menos un ánodo. La primera cámara puede tener entradas que están conectadas con una fuente de gas dióxido de carbono y una fuente de agua, y una salida que está conectada, por ejemplo, a un dispositivo de almacenamiento usado para almacenar el metano producido en la primera cámara. La primera y segunda cámaras están separadas por un divisor que es permeable a iones (protones) para permitirles que se desplacen desde la segunda cámara a la primera cámara. Esta membrana también puede ser impermeable a productos gaseosos y a productos secundarios del proceso de conversión para limitar o evitar que se desplacen entre la primera cámara y la segunda cámara.

Los organismos metanogénicos pueden cultivarse, por ejemplo, en biorreactores de tanque de agitación o mezclado, biorreactores de fibra hueca o biorreactores de lecho fluido, y funcionar en un modo discontinuo, continuo, semicontinuo o de perfusión. En el modo discontinuo (un solo lote), una cantidad inicial de medio que contiene nutrientes necesarios para el crecimiento se añade al reactor biológico, y el reactor biológico se hace funcionar hasta que el número de células viables aumenta a un estado estacionario máximo, o condición estacionaria. En el modo semidiscontinuo, se añaden al cultivo a intervalos fijos los medios concentrados o cantidades seleccionadas de nutrientes individuales. Los microorganismos metanogénicos pueden sobrevivir durante años en condiciones semidiscontinuas, siempre que cualquier producto residual se minimice o elimine eficazmente para evitar la pérdida de eficacia de la producción de metano a lo largo del tiempo. Cualquier producto residual inhibidor puede retirarse mediante procesos de producción de perfusión continua, bien conocidos en la técnica. Los procesos de perfusión pueden implicar dilución simple mediante aporte continuo de medio reciente en el cultivo, mientras que el mismo volumen se retira de manera continua del reactor. Los procesos de perfusión también pueden implicar la retirada continua selectiva de medio mediante centrifugación, mientras que las células quedan retenidas en el cultivo o por retirada selectiva de componentes tóxicos mediante diálisis, adsorción, electroforesis u otros métodos. Los cultivos perfundidos de manera continua pueden mantenerse durante semanas, meses o años.

La Fig. 6 ilustra una primera realización de un sistema 100 que puede usarse, por ejemplo, para transformar energía eléctrica en metano. El sistema 100 incluye un reactor biológico 102 que tiene al menos una primera cámara 104 y una segunda cámara 106. La primera cámara 104 puede contener al menos un cátodo 108, un cultivo que comprende microorganismos metanogénicos vivos y agua. En particular, el cultivo puede incluir los microorganismos descritos anteriormente y el agua puede ser parte de un medio de electrolito acuoso compatible con los microorganismos vivos. La segunda cámara puede contener al menos un ánodo 110.

El reactor biológico 102 puede incluir también una barrera 112 permeable a protones. La barrera 112 puede ser al menos semipermeable a gases, aunque de acuerdo con determinadas realizaciones, la barrera 112 es impermeable a gases. De acuerdo con determinadas realizaciones, la barrera 112 impermeable puede ser una membrana electrolito polimérica (MEP) sólida, tal como está disponible con el nombre comercial Nation de E. I. de Pont de Nemours y Compañía. Para una transformación de energía óptima en el reactor de acuerdo con determinadas realizaciones, se piensa que la permeabilidad de la barrera a iones hidronio debe preferentemente ser de un mínimo de dos órdenes de magnitud mayor en base molar en comparación que la permeabilidad de la barrera al oxígeno en condiciones de funcionamiento del reactor. Otras membranas MEP adecuadas que cumplen estos criterios, tales como copolímeros en bloque de poliarileno sulfonatado (véase, por ejemplo, Bae, B., K Miyatake, y M. Watanabe. Macromolecules 43: 2684-2691 (2010) y Nafion soportado en PTFE (véase, por ejemplo, G.B. Jung, et al., J Fuel Cell Technol 4: 248-255(2007), están bajo desarrollo activo en numerosos laboratorios. Las membranas MEP comerciales adecuadas, además de Nafion, incluyen Gore-Select (PRIMEA), Flemion (Asahi), ionómero Fluoropolimérico 3M, SPEEK (Polifuel), membrana mezclada Kynar (Arkema), Fumapem (FuMA-Tech) y Solupor (Lydall).

En el reactor biológico 102, se piensa que el agua actúa como un donador de electrones netos para los microorganismos metanogénicos en el reactor biológico. Por consiguiente, también se piensa que la barrera 112 debe ser permeable a iones hidronio (H3O+). La MEP Nafion es un ejemplo de un material adecuado para tal barrera 112.

El cátodo 108 puede fabricarse de un material poroso eléctricamente conductor. En particular, en determinadas realizaciones el cátodo 108 puede fabricarse de una espuma de carbono vítreo reticulado. Como se explica con mayor detalle más adelante, pueden usarse otros materiales. De acuerdo con determinadas realizaciones, los poros del cátodo pueden ser lo suficientemente grandes (por ejemplo, más de 1-2 micrómetros en dimensión mínima) para alojar microrganismos metanogénicos vivos dentro de los poros. La conductividad eléctrica de la matriz del cátodo es preferentemente al menos dos órdenes de magnitud mayor que la conductividad iónica del medio de electrolito acuoso contenido dentro de sus poros.

Se reconocerá que el papel del cátodo 108 es aportar electrones a los microorganismos minimizando al mismo tiempo las reacciones secundarias y minimizando la pérdida de energía. Adicionalmente, es ventajoso que el cátodo sea económico. Actualmente, se piensa que determinados materiales pueden ser más o menos adecuados para su inclusión en el reactor.

Por ejemplo, los cátodos de platino pueden ser menos adecuados para su inclusión en el reactor. En este sentido, el platino proporciona una superficie altamente activa para catalizar la producción del gas hidrógeno a partir de la combinación de protones o de iones hidronio con electrones proporcionados en el cátodo. La actividad de los catalizadores del cátodo de platino para la formación de hidrógeno en soluciones acuosas es tan alta que la concentración de hidrógeno en las proximidades del catalizador aumenta rápidamente por encima de su límite de solubilidad y emergen burbujas de gas hidrógeno. A pesar del hecho de que los microorganismos metanogénicos hayan evolucionado para consumir hidrógeno en el proceso de formación de metano, el hidrógeno en las burbujas se redisuelve solo lentamente en el medio y se encuentra en gran parte no disponible para los microorganismos. Por consiguiente, mucha de la energía consumida en la formación de hidrógeno en un catalizador de platino no contribuye a la formación de metano. Adicionalmente, la energía de unión de hidrógeno es mayor que la energía de unión para enlazar el metano. Esta diferencia da como resultado una pérdida energética cuando el gas hidrógeno se produce como una etapa intermedia.

Por otro lado, un cátodo de carbono sólido es un ejemplo de un material eléctricamente conductor económico que tiene baja actividad de formación de hidrógeno y que puede proporcionar electrones a los microorganismos. Sin embargo, se reconocerá que la transferencia de electrones entre microorganismos y una fuente o disipador de electrones externo, tal como un electrodo, necesita algún nivel de proximidad entre los microorganismos y el electrodo y la velocidad total de transferencia de electrones está relacionada con el área del electrodo en estrecho contacto con los microorganismos. Dado que un electrodo poroso que permite que los microorganismos entren en los poros tiene un área de superficie mucho más grande en proximidad a los microorganismos que en un electrodo plano de dimensiones equivalentes, se espera que el electrodo poroso proporcione una densidad de corriente volumétrica superior.

Un material de cátodo poroso adecuado puede proporcionarse mediante una espuma de carbono vítreo reticulado. Es económica y conductora. Esta estructura porosa proporciona conexiones eléctricas a una gran cantidad de los microorganismos lo que permite una alta productividad volumétrica. Adicionalmente, la naturaleza vítrea del carbono proporciona baja actividad para la producción de hidrógeno, lo que aumenta la eficacia energética y la de Faradaica. También se reconocerá que el carbono vítreo es también muy resistente a la corrosión.

Otros materiales de electrodo poroso adecuados pueden incluir, pero sin limitación espuma de grafito (véase, por ejemplo, la Patente de Estados Unidos 6.033.506), carbono tejido y materiales de grafito, carbón, grafito o papel impregnado en nanotubos de carbono (véase, por ejemplo, Hu, L., et al. Proc Nat Acad Sci USA 106: 21490-4 (2009)), y espumas metálicas, o mallas tejidas o no tejidas comprendidas de materiales tales como titanio, que no reaccionan en las condiciones de la reacción y que presentan una proporción de superficie con respecto al volumen alta.

Con fibras conductoras puede conseguirse la potenciación adicional de la transferencia de electrones entre el cátodo y los microorganismos. Las fibras conductoras adecuadas pueden consistir en pilis conductores generados por los microorganismos como se describe en más detalle anteriormente. Como alternativa o adicionalmente, se pueden unir nanocables de manera al cátodo, tales como nanotubos de carbono (Iijima, S. Nature 354: 56 (1991)). Wang, J. et al., J. Am. Chem. Soc. 125: 2408-2409 (2003) y referencias indicadas en su interior proporcionan técnicas para modificar electrodos de carbono vítreo con nanotubos de carbono. Adicionalmente, pueden usarse para fin los polímeros orgánicos conductores (véase, por ejemplo, Jiang, P. Angewandte Chemie 43: 4471-4475 (2004). Los materiales no conductores que unen los microorganismos a la superficie del electrodo también pueden potenciar la transferencia de electrones. Los aglutinantes no conductores adecuados incluyen pero sin limitación polímeros policatiónicos tales como poli-lisina o poli(beta-aminosulfonamidas). Los organismos metanogénicos vivos también pueden producir materiales biológicos, tales como los que soportan la formación de biopelículas, que se unen eficazmente a la superficie del electrodo.

El ánodo 110 puede comprender una capa catalítica de Pt-carbón u otros materiales que se sabe que proporcionan un bajo sobrepotencial para la oxidación de agua a oxígeno.

Como se ilustra en la Fig. 6, está acoplada una fuente de electricidad 120 al ánodo 110 y al cátodo 108. Como se ha mencionado anteriormente, la fuente 120 puede generarse a partir de fuentes renovables sin carbono. En particular, la fuente 120 puede generarse a partir de fuentes renovables sin carbono tal como fuentes solares (por ejemplo, matrices de células fotovoltaicas) y fuentes eólicas (por ejemplo, turbinas eólicas). Sin embargo, de acuerdo con otras realizaciones, la fuente 120 puede ser una central eléctrica de carbón, una celda de combustible, una central de energía nuclear. De acuerdo con otras realizaciones adicionales, la fuente 120 puede ser un conector a una red de transmisión eléctrica.

El reactor biológico 102 puede funcionar a una densidad de corriente eléctrica por encima de 6 mA/cm2. Por ejemplo, el reactor biológico 102 puede funcionar a una densidad de corriente eléctrica de entre 6 y 10 mA/cm2. De acuerdo con determinadas realizaciones, el reactor biológico 102 puede funcionar a densidades de corriente eléctricas de al menos un orden de magnitud mayor (por ejemplo, 60-100 mA/cm2). La corriente puede suministrarse como corriente directa o puede suministrarse como corriente pulsada tal como a partir de corriente alterna rectificada. La frecuencia de tal corriente pulsada no está limitada por las propiedades del reactor. La frecuencia de la corriente pulsada puede ser variable, tal como generada mediante turbinas de velocidad variable, por ejemplo turbinas eólicas que carecen de maquinaria a velocidad constante.

Los microorganismos metanogénicos vivos pueden impregnarse en el cátodo 108. Diversas realizaciones y variantes de los microorganismos se describen con mayor detalle en la sección anterior.

Como se ha explicado con mayor detalle anteriormente, el reactor biológico 102 puede tener un estado operativo en el que el cultivo se mantiene a una temperatura por encima de 50 °C, aunque determinadas realizaciones pueden tener un estado operativo en el intervalo de entre aproximadamente 60 °C y 100 °C. El reactor biológico 102 también puede tener un estado inactivo en el que no se suministra ninguna electricidad o dióxido de carbono al reactor 102. De acuerdo con tal estado inactivo, la producción de metano puede reducirse de manera significativa con respecto al estado operativo, de tal manera que la producción puede ser de varios órdenes de magnitud menor que la del estado operativo, y del mismo modo la necesidad de entrada de energía eléctrica y de entrada de dióxido de carbono puede ser de varios órdenes de magnitud menor que en el estado operativo. De acuerdo con determinadas realizaciones de la divulgación, el reactor biológico 102 puede cambiar entre el estado operativo y el estado inactivo o entre el estado inactivo y el estado operativo sin adición de microorganismos al reactor 102.

El reactor biológico 102 puede tener una entrada 130 conectada a la primera cámara para recibir dióxido de carbono gaseoso. La entrada 130 puede acoplarse a un aporte de dióxido de carbono 132 para acoplar el aporte de dióxido de carbono con la primera cámara 104. El reactor biológico 102 también puede tener una salida 134 para recibir metano de la primera cámara.

El reactor biológico 102 también puede tener una salida 136 conectada a la segunda cámara 106 para recibir productos secundarios. Por ejemplo, el oxígeno gaseoso puede generarse en la segunda cámara 106 como un producto secundario de la producción de metano en la primera cámara 104. De acuerdo con determinadas realizaciones, el oxígeno puede ser el único producto secundario gaseoso del reactor biológico 102. En cualquier caso, la salida 134 conectada a la segunda cámara 106 puede recibir el oxígeno gaseoso.

Acorde con la divulgación de la Fig. 6, un método de la divulgación puede incluir el aporte de electricidad al ánodo 110 y al cátodo 108 del reactor biológico 102 que tiene al menos la primera cámara 104 conteniendo al menos el cátodo 108, un cultivo que comprende microorganismos metanogénicos vivos como se ha descrito anteriormente, y agua (por ejemplo, como parte de un medio de electrolito acuoso compatible con los microorganismos vivos), y la segunda cámara 106 que contiene al menos el ánodo 110, en el que el cultivo se mantiene a una temperatura por encima de 50 °C. Adicionalmente, el método puede incluir la generación de electricidad a partir de fuentes renovables sin carbono, tales como a partir de fuentes solares y eólicas, como se ha indicado anteriormente. De acuerdo con determinadas realizaciones, la electricidad puede suministrarse durante un periodo de demanda no máxima.

El método también puede incluir el aporte de dióxido de carbono de la primera cámara 104. Como se ha indicado anteriormente, el método puede incluir el reciclado de dióxido de carbono desde al menos una fuente industrial concentrada o dióxido de carbono atmosférico, cuyo dióxido de carbono se suministra a la primera cámara 104.

El método puede incluir adicionalmente recoger metano de la primera cámara 104. El método puede incluir adicionalmente almacenar y transportar el metano. El método también puede incluir recoger otros productos gaseosos o productos secundarios del reactor biológico; por ejemplo, el método puede incluir recoger oxígeno de la segunda cámara 106.

Se reconocerá que aunque el sistema de la Fig. 6 puede verse como operativo para transformar electricidad en metano, también es posible ver al sistema de la Fig. 6 como operativo para crear u obtener derechos reemisión de carbono, como una alternativa al secuestro de carbono por ejemplo. De acuerdo con tal método, el método incluiría aportar electricidad al ánodo 110 y al cátodo 108 del reactor biológico 102, que tiene al menos la primera cámara 104 que contiene al menos el cátodo 108, los microorganismos metanogénicos, y agua (por ejemplo, como parte de un medio de electrolito acuoso compatible con los microorganismos vivos) y una segunda cámara que contiene al menos el ánodo, en el que el cultivo se mantiene a una temperatura por encima de 50 °C. El método también incluiría aportar dióxido de carbono en la primera cámara 104. Finalmente, el método incluiría recibir derechos de emisión de carbono por el dióxido de carbono transformado en el reactor biológico 102 en metano. De acuerdo con tal método, el dióxido de carbono puede reciclarse desde una fuente industrial concentrada.

Se reconocerá que el sistema 100 es solamente uno de tal realización de un sistema de acuerdo con la divulgación. Realizaciones adicionales y variantes del sistema 100 se ilustran en las Fig. 7-13 y se describirán en la siguiente sección. Aunque estas realizaciones en general se muestran en sección transversal, suponiendo una forma en general cilíndrica para el reactor y formas de tipo disco para el ánodo y cátodo, que pueden disponerse en paralelo entre sí como se ilustra, se apreciará que pueden usarse en cambio otras geometrías.

La Fig. 7 ilustra un sistema 200 que incluye un reactor biológico 202, una fuente de electricidad 204 y una fuente de dióxido de carbono 206. Como se ilustra, la fuente de electricidad 204 y la fuente de dióxido de carbono 206 están ambas acopladas al reactor biológico 202. El reactor biológico 202 usa un medio líquido/gaseoso en circulación, como se ha explicado con mayor detalle anteriormente.

El reactor biológico 202 incluye una carcasa 210 que define, en parte, una primera y segunda cámaras 212, 214. El reactor 202 también incluye un cátodo 216 dispuesto en la primera cámara 212, y un ánodo 218 dispuesto la segunda cámara 214. La primera y segunda cámaras 212, 214 están separadas por una barrera 220 impermeable a gases, permeable a protones, teniendo la barrera 220 superficies 222, 224, que también definen en parte la primera y segunda cámaras 212, 214.

El reactor biológico 202 también incluye colectores de corriente 230, 232, uno para cada cátodo 216 y el ánodo 218. El colector de corriente 230 para el cátodo 216 puede fabricarse como un sólido de material disco, para mantener un estado sellado dentro de la cámara 212 entre una entrada 234 para el dióxido de carbono y una salida 236 para el metano (y potencialmente productos secundarios). La entrada 234 y la salida 236 pueden definirse en la carcasa 210. El colector de corriente 232 para el ánodo 218 también puede definir una capa de difusión de gas porosa, sobre la que se dispone la capa catalizadora del ánodo. Se reconocerá que se proporcione una capa de difusión de gas porosa para permitir que los productos secundarios gaseosos salgan de la segunda cámara 214, dado que la barrera 220 evita su salida a través de la salida 236 a través de la primera cámara 212.

Acorde con la divulgación anterior, el cátodo 216 está fabricado de un material poroso, tal como una espuma de carbono reticulada. El cátodo 216 se impregna con los microorganismos metanogénicos y con el medio de electrolito acuoso. Los microorganismos metanogénicos están por lo tanto en un paso 238 formado entre la barrera 220 y el colector de corriente 230 entre la entrada 234 y la salida 236.

En funcionamiento, el dióxido de carbono se disuelve en el medio de electrolito acuoso y se circula a través del cátodo 216. Los microorganismos metanogénicos pueden residir dentro del medio de electrolito en circulación o pueden unirse al cátodo poroso 216. En presencia de una corriente eléctrica, los microorganismos metanogénicos procesan el dióxido de carbono para generar metano. El medio de electrolito transporta el metano fuera del reactor 202 mediante la salida 236. De acuerdo con tal realización, el equipo de posprocesamiento, tal como un separador de líquido/gas, puede conectarse a la salida para extraer el metano de la solución.

La Fig. 8 ilustra un sistema 250 que incluye un reactor 252 que es una variante del ilustrado en la Fig. 7. Similar al reactor 202, el reactor 252 incluye una carcasa 260 que define, en parte, la primera y segunda cámaras 262, 264. El reactor 252 también incluye un cátodo 266 dispuesto en la primera cámara 262, y un ánodo 268 dispuesto en la segunda cámara 264. La primera y segunda cámaras 262, 264 están separadas por una barrera 270 impermeable a gases, permeable a protones, teniendo la barrera 270 superficies 272, 274 que también definen en parte la primera y segunda cámaras 262, 264.

A diferencia de la realización ilustrada en la Fig. 7, la realización ilustrada de la Fig. 8 también incluye una capa 280 de difusión de gas conductora de protones, porosa. La capa 280 de difusión de gas se dispone entre el cátodo 266 y la barrera 270. Usando esta capa 280 de difusión de gas, el dióxido de carbono gaseoso puede entrar en la primera cámara 212 a través de la capa 280 de difusión de gas y después difundir en el cátodo 266, mientras que el metano gaseoso producido por los microorganismos puede difundir desde el cátodo 266 al interior de la capa 280 y después fuera de la primera cámara 212. Las capas de difusión de gas conductoras de protones adecuadas para su uso como capa 280 pueden producirse recubriendo materiales porosos con ionómero conductor de protones, incorporando el ionómero directamente en la matriz porosa o mediante la derivatización química de materiales de matriz porosos con sulfato, fosfato u otros grupos que promueven la conducción de protones, por ejemplo.

Se reconocerá así que el dióxido de carbono y el metano no se transportan mediante un medio de líquido en circulación de acuerdo con la realización de la Fig. 8. En su lugar, el cultivo y los medios están contenidos en la primera cámara 262, mientras que solo el dióxido de carbono gaseoso y el metano circulan entre la entrada y la salida. Tal realización puede presentar determinadas ventajas con respecto al reactor 202 de la Fig. 7, ya que la manipulación del posprocesamiento o la generación de metano puede simplificarse. Adicionalmente, la ausencia de medios líquidos en circulación en el reactor 202 puede simplificar la conexión en serie entre múltiples reactores, como se ilustra en la Fig. 14. Sin embargo, aunque los medios en circulación en la realización de la Fig. 7 proporcionan cualquier agua requerida por el cultivo, puede ser necesario acoplar un equipo al reactor para proporcionar vapor de agua al cultivo, además del dióxido de carbono gaseoso. El medio de electrolito y los microorganismos pueden retenerse dentro de los poros del cátodo 266 mediante tensión superficial o, como alternativa, incluyendo materiales dentro del electrolito que aumenten su viscosidad o formen un gel.

La Fig. 9 ilustra un sistema 300 que incluye un reactor 302 que es una variante del ilustrado en la Fig. 8. Similar a los reactores 202 y 252, el reactor 302 incluye una carcasa 310 que define, en parte, una primera y segunda cámaras 312, 314. El reactor 302 también incluye un cátodo 316 dispuesto en la primera cámara 312, y un ánodo 318 dispuesto en la segunda cámara 314. La primera y segunda cámaras 312, 314 están separadas por una barrera 320 impermeable a gases, permeable a protones, teniendo la barrera 320 superficies 322, 324 que también definen en parte la primera y segunda cámaras 312, 314.

Además, similar a la realización ilustrada en la Fig. 8, la realización ilustrada en la Fig. 9 también incluye una capa 330 de difusión de gas conductora de protones, porosa. Sin embargo, la capa 330 de difusión de gas no se dispone entre el cátodo 316 y la barrera 320 sino que, en cambio, se dispone entre el cátodo 316 y el colector de corriente 332. En esta disposición, la capa 330 de difusión de gas es conductora de corriente en lugar de conductora de protones como la capa de difusión de gas 280 en el reactor 252. La corriente pasaría a través de la capa 330 al interior del cátodo 316. Como en el reactor 252, el dióxido de carbono aún entraría en la primera cámara 312, pasaría a través de la capa 330 de difusión de gas y se difundiría al interior del cátodo 316, mientras que el metano producido por los microorganismos difundiría desde el cátodo 316 a través de la capa 330.

Como resultado, la realización de la Fig. 9 ilustra un reactor en el que el dióxido de carbono gaseoso entra en el cátodo desde un lado o a lo largo de una trayectoria opuesta a la de los protones. Por comparación, la realización de la Fig. 8 ilustra un reactor en el que el dióxido de carbono gaseoso y los protones entran en el cátodo desde el mismo lado o a lo largo de una trayectoria similar. La contradifusión de la realización de la Fig. 9 puede proporcionar una producción más lenta que la de la Fig. 8, pero puede proporcionar niveles de producción aceptables. Al igual que para el material usado para la barrera 320 de acuerdo con tal realización, se piensa que puede ser adecuada una espuma de carbono porosa impregnada con partículas de Nafion.

Las Fig. 10-13 ilustran un sistema 400 que incluye un reactor biológico 402 que destaca varios aspectos de la divulgación sobre y acerca de los ilustrados en las Fig. 5-9. En particular, aunque la naturaleza general del reactor (con primera y segunda cámaras, ánodo, cátodo, barrera, microorganismos y medio de electrolito acuoso) tiene mucho en común con los sistemas ilustrados en las Fig. 5-9, el reactor 402 ilustra nuevas geometrías, así como un reactor en el que está presente una pluralidad de ánodos y una pluralidad de cátodos.

En particular, como se ilustra en la Fig. 10, el reactor 402 incluye diversas subunidades 404 de reactor tubulares que pueden disponerse en un formato de matriz. Se reconocerá que la disposición particular de las subunidades 404 utiliza un desvío con respecto a la disposición de hileras adyacentes de las subunidades 404, para aumentar el número de subunidades 404 dentro de un volumen. También se reconocerá que, en cambio las hileras adyacentes de subunidades 404 pueden alinearse entre sí. También se reconocerá que aunque se han ilustrado cuatro hileras de cinco subunidades 404 cada una y cuatro hileras de cuatro subunidades 404 cada una, esto no puede considerarse como limitante del reactor 402.

La Fig. 11 ilustra una pluralidad de subunidades en sección transversal, para apreciar las similitudes y diferencias con los sistemas ilustrados en las Fig. 5-9 anteriores. Aunque no sea necesario en el caso de todas las realizaciones, cada una de las subunidades 404 ilustradas en la Fig. 11 es idéntica, de tal manera que el análisis de una cualquiera de las subunidades 404 debe ser inclusivo también de las observaciones que puedan hacerse con respecto a las otras subunidades 404.

Como se observa en la Fig. 11, el reactor 402 incluye una carcasa 410, en la que la que se disponen las subunidades 404. Se reconocerá que la carcasa 410 está sellada contra las filtraciones de productos y productos secundarios como se explica con más detalle más adelante. Dispuesto en un extremo de la carcasa 410 se encuentra un colector de corriente común 412 que está conectado a un cátodo 414 en general tubular de cada una de las subunidades 404. De una manera similar, el reactor 402 incluye una capa de difusión de gas porosa/colector de corriente 416 que está conectado a un ánodo 418 en general tubular de cada subunidad 404. Dispuesta entre el cátodo 414 y el ánodo 418 se encuentra una barrera 420 impermeable a gas, permeable a protones, en general tubular, como se ha discutido con más detalle anteriormente. Esta disposición también se ilustra en la Fig. 12.

De acuerdo con esta realización, el dióxido de carbono entra en el reactor 402 mediante una entrada 430 y se desplaza a lo largo de un paso 432. El dióxido de carbono pasa después a lo largo del cátodo poroso 414, que se impregna con microorganismos metanogénicos y medio de electrolito acuoso. El metano producido en el cátodo 414 se recoge después en un espacio 434 que está conectado a la salida 436.

La Fig. 13 ilustra una variante de la subunidad 404 ilustrada con respecto al sistema 400 de las Fig. 10 y 11. Dadas las similitudes entre la subunidad 404 y su variante, las estructuras comunes se designarán con una prima.

Como se ilustra en la Fig. 13, la subunidad 404' incluye un cátodo tubular 414', un ánodo tubular 418' y una barrera tubular 420'. Como en la subunidad 404, el cátodo tubular 414' se dispone centralmente en la subunidad 404', con el ánodo 418' dispuesto radialmente hacia fuera del cátodo 416' y la barrera 420' dispuesta entre ambos. Sin embargo, de forma similar a las variantes descritas en la Fig. 8, la subunidad 404' incluye una capa 440 de difusión de gas conductora de protones. Esta capa 440 puede estar en comunicación con el paso 432 y el espacio 434 en un reactor 402, el lugar del cátodo 414'. Como tal, el dióxido de carbono pasaría desde la entrada 430 a través de la capa 440 hacia el cátodo 414', mientras que el metano pasaría desde el cátodo 414' a través de la capa 440 a la salida 436. También es posible una disposición similar a la Fig. 10, pero con una capa de difusión de gas eléctricamente conductora dispuesta como en la Fig. 9 entre el cátodo 414' y el colector de corriente 412'.

Las Fig. 14 y 15 ilustran dos opciones de gestión de energía distintas que pueden usarse con cualquiera de los reactores descritos anteriormente. En este sentido, se reconocerá que cada uno de los sistemas 450, 452 ilustrados en las Fig. 14 y 15 pueden incluir una pluralidad de reactores individuales 454, 456.

En la Fig. 14, los reactores individuales 454 están conectados en serie para coincidir con un voltaje fijo o constante. El sistema 450 aloja una corriente variable proporcionando una pluralidad de interruptores 458 para permitir cadenas en serie adicionales de reactores 454 para conmutarse en el circuito para coincidir con la corriente variable. En la Fig. 15, los reactores individuales 456 están conectados en paralelo para coincidir con una corriente constante o fija. El sistema 452 aloja un voltaje variable proporcionando pares de conmutadores 460 para permitir planos en paralelo adicionales de reactores 456 para conmutar en el circuito para coincidir el voltaje variable. Se reconocerá que también puede ser posible dirigir la corriente variable y las aplicaciones de voltaje variable con conmutación direccionable para construir planos de reactores en paralelo dinámicos y ajustar las longitudes de cadenas en serie si se requiere.

Divulgaciones adicionales:

Los siguientes párrafos enumerados detallan divulgaciones adicionales:

1. Un microorganismo aislado de Methanothermobacter que presenta una eficacia de producción de metano que es al menos o aproximadamente de 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular.

2. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 1 detallado, en el que el microorganismo expresa un ARNr 16S que tiene al menos una identidad de secuencia del 90 % con la longitud completa de la secuencia del ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H (SEQ ID NO: 1).

3. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 2 detallado, en el que el microorganismo expresa un ARNr 16S que tiene al menos una identidad de secuencia del 95 % con la longitud completa de la secuencia del ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H (SEQ ID NO: 1).

4. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 3 detallado, en el que el microorganismo expresa un ARNr 16S que tiene al menos una identidad de secuencia del 98 % con la longitud completa de la secuencia de ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H (SEQ ID NO: 1).

5. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos detallados 1 a 4, que presenta una eficacia de producción de metano que es al menos o aproximadamente de 40 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular.

6. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 5 detallado, que presenta una eficacia de producción de metano que es al menos o aproximadamente de 50 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular.

7. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 6 detallado, que presenta una eficacia de producción de metano que es al menos o aproximadamente de 60 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular.

8. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 1 a 7 detallados, en el que la eficacia de producción de metano de CO2 se mantiene durante al menos 30 días consecutivos (es decir, “se mantiene durante” significa que el microorganismo presenta este fenotipo al menos una vez cada día durante al menos 30 días consecutivos).

9. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos detallados 1 a 8, en el que el microorganismo presenta la eficacia de producción de metano cuando se suministran no más de 25 moléculas de hidrógeno al microorganismo por cada 6 moléculas de metano producidas, o se suministran no más de 200 moléculas de hidrógeno por cada 49 moléculas de metano producido.

10. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos detallados 1 a 9, que produce al menos o aproximadamente 96 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas al microorganismo.

11. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 1 a 10 detallados que produce al menos o aproximadamente 17 gramos de metano por gramo de material celular.

12. Un microorganismo aislado de Methanothermobacter que produce al menos o aproximadamente 96 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas al microorganismo.

13. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 12 detallado, en el que el microorganismo expresa un ARNr 16S que tiene al menos el 90 % de identidad de secuencia con la longitud completa de la secuencia del ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H (SEQ ID NO: 1).

14. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 13 detallado, en el que el microorganismo expresa un ARNr 16S que tiene al menos el 95 % de identidad de secuencia con la longitud completa de la secuencia del ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H (SEQ ID NO: 1).

15. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 14 detallado, en el que el microorganismo expresa un ARNr 16S que tiene al menos el 98 % de identidad de secuencia con la longitud completa de la secuencia del ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H (SEQ ID NO: 1).

16. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 12 a 15 detallados, que produce al menos o aproximadamente 97 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas al microorganismo.

17. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 16 detallado que produce al menos o aproximadamente 98 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas al microorganismo.

18. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 12 a 17 detallados, en el que el microorganismo produce al menos o aproximadamente 96 moléculas de metano por 100 moléculas de CO2 suministradas al microorganismo, cuando se suministran no más de 25 moléculas de hidrógeno al microorganismo por cada 6 moléculas de metano producidas, o se suministran no más de 200 moléculas de hidrógeno por cada 49 moléculas de metano producidas.

19. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 12 a 18 detallados, que presentan una eficacia de producción de metano de al menos o aproximadamente de 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular.

20. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 12 a 19 detallados que produce al menos o aproximadamente 17 gramos de metano por gramo a partir de CO2 de material celular producido a partir de CO2.

21. Un microorganismo aislado de Methanothermobacter que produce al menos o aproximadamente 17 gramos de metano a partir de CO2 por gramo de material celular producido a partir de CO2.

22. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 21 detallado, en el que el microorganismo expresa un ARNr 16S que tiene al menos el 90 % de identidad de secuencia con la longitud completa de la secuencia del ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H (SEQ ID NO: 1).

23. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 22 detallado, en el que el microorganismo expresa un ARNr 16S que tiene al menos el 95 % de identidad de secuencia con la longitud completa de la secuencia del ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H (SEQ ID NO: 1).

24. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 23 detallado, en el que el microorganismo expresa un ARNr 16S que tiene al menos el 98 % de identidad de secuencia con la longitud completa de la secuencia del ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H (SEQ ID NO: 1).

25. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 21 a 24 detallados que produce al menos o aproximadamente 20 gramos de metano a partir de CO2 por gramo de material celular producido a partir de CO2.

26. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 25 detallado que produce al menos o aproximadamente 30 gramos de metano por gramo a partir de CO2 de material celular producido a partir de CO2.

27. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 26 detallado que produce al menos o aproximadamente 40 gramos de metano por gramo a partir de CO2 de material celular producido a partir de CO2.

28. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 21 a 27 detallados, en el que el microorganismo produce al menos o aproximadamente 17 gramos de metano a partir de CO2 por gramo de material celular a partir de CO2 producido cuando se suministran no más de 25 moléculas hidrógeno al microorganismo por cada 6 moléculas de metano producidas, o se suministran no más de 200 moléculas de hidrógeno por cada 49 moléculas de metano producidas.

29. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 21 a 28 detallados que presenta una eficacia de producción de metano que es al menos o aproximadamente de 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular.

30. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 21 a 29 detallados que produce al menos o aproximadamente 96 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido carbono suministradas al microorganismo.

31. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos precedentes detallados que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 72 horas en una fase estacionaria.

32. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 31 detallado que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 80 horas en una fase estacionaria.

33. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 32 detallado que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 90 horas en una fase estacionaria.

34. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 33 detallado que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 100 horas en una fase estacionaria.

35. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 34 detallado que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 200 horas en una fase estacionaria.

36. El microorganismo de Methanothermobacter del párrafo 35 detallado que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 1 mes en una fase estacionaria.

37. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 31 a 36 detallados, en el que el tiempo de duplicación se mantiene durante al menos 7 días consecutivos.

38. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 37 detallado, en el que el tiempo de duplicación se mantiene durante al menos 30 días consecutivos.

39. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 31 a 38 detallados que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 72 horas en una fase estacionaria cuando se le proporciona gas CO2 a una velocidad de al menos o aproximadamente 34 VVD.

40. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 31 a 39 detallados que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 72 horas en una fase estacionaria cuando se proporciona gas CO2 a una velocidad de al menos o aproximadamente 34 VVD y con un poder reductor suficiente para reducir al menos el 90 % del CO2.

41. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 46 detallado, en el que el poder reductor es gas H2 suministrado a una velocidad de al menos 122 VVD.

42. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 46 detallado, en el que el poder reductor es corriente eléctrica.

43. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 1 a 41 detallados que retorna a al menos el 80 % del nivel de productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos de exposición a al menos o aproximadamente 3 minutos de oxígeno o monóxido de carbono.

44. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 43 detallado, en el que el microorganismo retorna a al menos el 80 % del nivel de productividad de metano en el estado operativo al cabo de 10 minutos de exposición a al menos o a aproximadamente 3 minutos de oxígeno.

45. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 1 a 44 detallados que presenta una densidad de cultivo celular de al menos o aproximadamente 6 mg de masa seca de células/ml de cultivo en una fase estacionaria.

46. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 45 detallado que presenta una densidad de cultivo celular de al menos o aproximadamente 6 mg de masa seca de células/ml de cultivo en una fase estacionaria durante al menos o aproximadamente 15 días consecutivos.

47. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 1 a 46 detallados que retorna a al menos el 80 % de la productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos de resuministro de gas H2 o electricidad, después de estar en un estado inactivo durante al menos 2 horas como se induce interrumpiendo o cesando el aporte de hidrógeno o electricidad.

48. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 1 a 47 detallados, en el que el microorganismo es autótrofo.

49. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 48 detallado que es termófilo o hipertermófilo.

50. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 1 a 49 detallados que es un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, depositada el 21 de diciembre de 2010, en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561.

51. Un microorganismo aislado de Methanothermobacter que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 72 horas en una fase estacionaria.

52. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 51 detallado, en el que el microorganismo expresa un ARNr 16S que tiene al menos el 90 % de identidad de secuencia con la longitud completa de la secuencia del ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H (SEQ ID NO: 1).

53. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 52 detallado, en el que el microorganismo expresa un ARNr 16S que tiene al menos el 95 % de identidad de secuencia de con la longitud completa de la secuencia del ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H (SEQ ID NO: 1).

54 El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 53 detallado, en el que el microorganismo expresa un ARNr 16S que tiene al menos el 98 % de identidad de secuencia con la longitud completa de la secuencia del ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H (SEQ ID NO: 1).

55. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 51 a 54 detallados que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 80 horas en una fase estacionaria.

56. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 55 detallado que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 90 horas en una fase estacionaria.

57. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 56 detallado que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 100 horas en una fase estacionaria.

58. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 57 detallado que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 200 horas en una fase estacionaria.

59. El microorganismo de Methanothermobacter del párrafo 58 detallado que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 1 mes en una fase estacionaria.

60. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 51 a 59 detallados, en el que el tiempo de duplicación se mantiene durante al menos 7 días consecutivos.

61. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 60 detallado, en el que el tiempo de duplicación se mantiene durante al menos 30 días consecutivos.

62. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 51 a 61 detallados que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 72 horas en una fase estacionaria cuando se proporciona gas CO2 a una velocidad de al menos o aproximadamente 34 VVD.

63. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 51 a 62 detallados que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 72 horas en una fase estacionaria cuando se proporciona gas CO2 a una velocidad de al menos o aproximadamente 34 VVD y con poder reductor suficiente para reducir al menos el 90 % del CO2.

64. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 63 detallado, en el que el poder reductor es gas H2 suministrado a una velocidad de al menos 122 VVD.

65. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 63 detallado, en el que el poder reductor es corriente eléctrica.

66. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 51 a 65 detallados que presenta una eficacia de producción de metano que es de al menos o aproximadamente 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular.

67. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 51 a 66 detallados que produce al menos o aproximadamente 96 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas al microorganismo.

68. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 51 a 67 detallados que produce al menos o aproximadamente 17 gramos de metano a partir de CO2 por gramo de material celular producido a partir de CO2.

69. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 51 a 68 detallados que retorna a al menos el 80 % del nivel de productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos de exposición a al menos o aproximadamente 3 minutos de cualquiera de oxígeno o monóxido de carbono.

70. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 69 detallado, en el que el microorganismo retorna a al menos el 80 % del nivel de productividad de metano en el estado operativo al cabo de 10 minutos de exposición a al menos o aproximadamente 3 minutos de oxígeno.

71. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 51 a 70 detallados que presenta una densidad de cultivo celular de al menos o aproximadamente 6 mg de masa seca de células/ml de cultivo en una fase estacionaria.

72. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 71 detallado que presenta una densidad de cultivo celular de al menos o aproximadamente 6 mg de masa seca de células/ml de cultivo en una fase estacionaria durante al menos o aproximadamente 15 días consecutivos.

73. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 51 a 72 detallados que retorna a al menos el 80 % de la productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos de resuministro de gas H2 o electricidad, después de estar en un estado inactivo durante al menos 2 horas como se induce interrumpiendo o cesando el aporte de hidrógeno o electricidad.

74. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 51 a 73 detallados, en el que el microorganismo es autótrofo.

75. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 74 detallado que es termófilo o hipertermófilo.

76. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 51 a 75 detallados que es un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, depositada el 21 de diciembre de 2010, en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561.

77. Un microorganismo aislado de Methanothermobacter que:

a. presenta una eficacia de producción de metano que es de al menos o aproximadamente 25 moléculas de CO2 convertidas en metano por molécula de CO2 convertida en material celular; o

b. sobrevive en un estado estacionario con un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 72 horas; o

c. presenta una densidad de cultivo celular de al menos o aproximadamente 6 mg de masa seca de células/ml de cultivo en una fase estacionaria; o

d. retorna a al menos el 80 % del nivel de productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos, después de una exposición de al menos o aproximadamente 3 minutos a oxígeno o monóxido de carbono.

78. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 77 detallado, en el que el microorganismo expresa un ARNr 16S que tiene al menos el 90 % de identidad de secuencia con la longitud completa de la secuencia del ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H (SEQ ID NO: 1).

79. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 78 detallado, en el que el microorganismo expresa un ARNr 16S que tiene al menos el 95 % de identidad de secuencia con la longitud completa de la secuencia del ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H (SEQ ID NO: 1).

80. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 79 detallado, en el que el microorganismo expresa un ARNr 16S que tiene al menos el 98 % de identidad de secuencia con la longitud completa de la secuencia del ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H (SEQ ID NO: 1).

81. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 77 a 80 detallados que (i) presenta una eficacia de producción de metano que es de al menos o aproximadamente 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular, opcionalmente al mismo tiempo que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 72 horas, opcionalmente, en el que la eficacia de producción de metano de CO2 se mantiene durante al menos 30 días, o (ii) sobrevive en una fase estacionaria con un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 72 horas, opcionalmente durante al menos 30 días.

82. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 77 a 81 detallados que (i) presenta una densidad de cultivo celular dentro de un intervalo de aproximadamente 6 a aproximadamente 8 mg de masa seca de células/ml de cultivo en una fase estacionaria, o (ii) retorna a al menos el 80 % del nivel de productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos, después de una exposición de al menos o aproximadamente 3 minutos a oxígeno o monóxido de carbono.

83. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 77 a 82 detallados que es termófilo o hipertermófilo, o (ii) retorna a al menos el 80 % de la productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos de resuministro de gas H2 o electricidad, después de estar en un estado inactivo durante al menos 2 horas como se induce mediante la interrupción o cese de aporte de hidrógeno o electricidad.

84. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 77 a 83 detallados que es un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, depositada el 21 de diciembre de 2010, en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561.

85. Un microorganismo aislado de Methanothermobacter que es

(a) un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, depositada el 21 de diciembre de 2010, en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561,

(b) una variante de (a), o

(c) una progenie de (a),

en el que la variante o progenie conserva las características fenotípicas de transformación de CO2 de (a).

86. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 85 detallado, en el que la variante o progenie expresa un ARNr 16S que tiene al menos el 90 % de identidad de secuencia con la longitud completa de la secuencia del ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H (SEQ ID NO: 1).

87. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 86 detallado, en el que la variante o progenie expresa un ARNr 16S que tiene al menos el 95 % de identidad de secuencia con la longitud completa de la secuencia de ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H (SEQ ID NO: 1).

88. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 87 detallado, en el que la variante o progenie expresa un ARNr 16S que tiene al menos el 98 % de identidad de secuencia con la longitud completa de la secuencia del ARNr 16S de Methanothermobacter thermautotrophicus Delta H (SEQ ID NO: 1).

89. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 77 a 88 detallados, en el que la variante o progenie presenta una eficacia de producción de metano que es de al menos o aproximadamente 25 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular.

90. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 89 detallado, que presenta una eficacia de producción de metano que es de al menos o aproximadamente 40 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular.

91. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 90 detallado que presenta una eficacia de producción de metano que es de al menos o aproximadamente 50 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular.

92. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 91 detallado, que presenta una eficacia de producción de metano que es de al menos o aproximadamente 60 moléculas de CO2 transformadas en metano por molécula de CO2 transformada en material celular.

93. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 89 a 92 detallados, en el que la eficacia de producción de metano a partir de CO2 se mantiene durante al menos 30 días consecutivos.

94. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 89 a 93 detallados, en el que el microorganismo presenta la eficacia de producción de metano cuando se suministran no más de 25 moléculas de hidrógeno al microorganismo por cada 6 moléculas de metano producido, o se suministran no más de 200 moléculas de hidrógeno por cada 49 moléculas de metano producidas.

95. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 77 a 94 detallados que produce al menos o aproximadamente 96 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas al microorganismo.

96. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 95 detallado que produce al menos o aproximadamente 97 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas al microorganismo.

97. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 96 detallado que produce al menos o aproximadamente 98 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas al microorganismo.

98. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 95 a 97 detallados, en el que el microorganismo produce al menos o aproximadamente 96 moléculas de metano por 100 moléculas de CO2 suministradas al microorganismo, cuando se suministran no más de 25 moléculas de hidrógeno al microorganismo por cada 6 moléculas de metano producidas, o se suministran no más de 200 moléculas de hidrógeno por cada 49 moléculas de metano producidas.

99. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 77 a 98 detallados que produce al menos aproximadamente 17 gramos de metano a partir de CO2 por gramo de material celular producido a partir de CO2.

100. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 99 detallado que produce al menos aproximadamente 20 gramos de metano a partir de CO2 por gramo de material celular producido a partir de CO2.

101. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 100 detallado que produce al menos aproximadamente 30 gramos de metano a partir del CO2 por gramo de material celular producido a partir de CO2.

102. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 101 detallado que produce al menos aproximadamente 40 gramos de metano a partir del CO2 por gramo de material celular producido a partir de CO2.

103. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 99 a 102 detallados, en el que el microorganismo produce al menos o aproximadamente 17 gramos de metano a partir de CO2 por gramo de material celular producido, cuando se suministran no más de 25 moléculas de hidrógeno al microorganismo por cada 6 moléculas de metano producidas, o se suministran no más de 200 moléculas de hidrógeno por cada 49 moléculas de metano producidas.

104. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 77 a 103 detallados que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 72 horas en una fase estacionaria. 105. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 104 detallado que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 80 horas en una fase estacionaria.

106. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 105 detallado que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 90 horas en una fase estacionaria.

107. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 106 detallado que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 100 horas en una fase estacionaria.

108. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 107 detallado que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 200 horas en una fase estacionaria.

109. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 108 detallado que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 1 mes en una fase estacionaria.

110. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 104 a 109 detallados, en el que el tiempo de duplicación se mantiene durante al menos 7 días consecutivos.

111. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 110 detallado, en el que el tiempo de duplicación se mantiene durante al menos 30 días consecutivos.

112. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 104 a 111 detallados que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 72 horas en una fase estacionaria cuando se proporciona gas CO2 a una velocidad de al menos o aproximadamente 34 VVD.

113. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 104 a 112 detallados que presenta un tiempo de duplicación de al menos o aproximadamente 72 horas en una fase estacionaria cuando se le proporciona gas CO2 a una velocidad de al menos o aproximadamente 34 VVD y con poder reductor suficiente para reducir al menos el 90 % del CO2.

114. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 113 detallado, en el que el poder reductor es gas H2 suministrado a una velocidad de al menos 122 VVD.

115. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 113 detallado, en el que el poder reductor es corriente eléctrica.

116. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 77 a 115 detallados que retorna a al menos el 80 % del nivel de productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos de exposición a al menos o aproximadamente 3 minutos de oxígeno o monóxido de carbono.

117. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 116 detallado, en el que el microrganismo retorna a al menos el 80 % del nivel de productividad de metano en el estado operativo al cabo de 10 minutos de exposición a al menos o aproximadamente 3 minutos oxígeno.

118. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 77 a 117 detallados que presenta una densidad de cultivo celular de al menos o aproximadamente 6 mg de masa seca de células/ml de cultivo en una fase estacionaria.

119. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 118 detallado que presenta una densidad de cultivo celular de al menos o aproximadamente 6 mg de masa seca de células/ml de cultivo en una fase estacionaria durante al menos o aproximadamente 15 días consecutivos.

120. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 77 a 119 detallados que retorna a al menos el 80 % de la productividad de metano en el estado operativo al cabo de 20 minutos de resuministro de gas H2 o electricidad, después de estar en un estado inactivo durante al menos 2 horas como se induce mediante la interrupción o cese del aporte de hidrógeno o electricidad.

121. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 77 a 120 detallados, en el que el microorganismo es autótrofo.

122. El microorganismo aislado de Methanothermobacter del párrafo 121 detallado que es termófilo o hipertermófilo.

123. El microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 85 a 122 detallados que es un microorganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, depositada el 21 de diciembre de 2010, en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561.

124. Un microorganismo aislado de Methanothermobacter que es una progenie de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, depositada el 21 de diciembre de 2010, en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561, en el que la progenie conserva las características fenotípicas de transformación de CO2 de dicha cepa.

125. Un cultivo o monocultivo sustancialmente puro que comprende el microorganismo de uno cualquiera de los párrafos 1 a 124 detallados.

126. Un sistema para transformar energía eléctrica en metano, que comprende un reactor biológico que tiene al menos un cátodo, un ánodo, un microorganismo de uno cualquiera de los párrafos 1 a 124 detallados, agua y dióxido de carbono.

127. El sistema del párrafo 126 detallado, en el que el reactor biológico comprende al menos una primera cámara que comprende dicho cátodo, dicho microorganismo y agua, y una segunda cámara que contiene al menos un ánodo, en el que el sistema comprende adicionalmente una fuente de electricidad acoplada al ánodo y al cátodo, un aporte de dióxido de carbono acoplado a la primera cámara y una salida para recibir metano de la primera cámara.

128. Un método de transformación de electricidad en metano, que comprende el aporte de electricidad y dióxido de carbono al sistema del párrafo 126 o 127 detallado, teniendo el reactor biológico un estado operativo en el que el microorganismo se mantiene a una temperatura mayor de o de aproximadamente 60 °C, y recoger metano de la primera cámara.

129. Un cátodo poroso que comprende el microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 1 a 124 detallados.

130. Un kit que comprende un microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 1 a 124 detallados, un cultivo o monocultivo sustancialmente puro del párrafo 125 detallado, un sistema del párrafo 126 o 127 detallado, un cátodo poroso del párrafo 129 detallado, o una combinación de los mismos, e instrucciones para su cuidado o uso.

131. El kit del párrafo 130 detallado, en donde el microorganismo o cultivo o monocultivo está crioconservado. 132. El kit del párrafo 130 o 131 detallado, que comprende una cantidad del microorganismo o cultivo o monocultivo que está listo para su uso en un sistema para producción de metano.

133. Un inóculo de cultivo celular que comprende al menos o aproximadamente 1,6 kg de peso seco del microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 1 a 124 detallados.

134. Un cultivo a gran escala que está listo para su uso en la producción de metano que comprende al menos o aproximadamente 1000 l de un cultivo a una densidad de al menos o aproximadamente 6 g de células en peso seco/l de cultivo del microorganismo aislado de Methanothermobacter de uno cualquiera de los párrafos 1 a 124 detallados.

Los siguientes ejemplos se proporcionan para ilustración, y a modo de limitación.

Ejemplos

EJEMPLO 1

Este ejemplo describe un método ejemplar para mantener un microorganismo de Methanothermobacter de la divulgación y un método ejemplar para crioconservar el microorganismo.

Los microorganismos de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus se mantienen en el Medio 1, divulgado en el presente documento, en condiciones anaerobias a 60 °C, que comprenden hidrógeno al 80 %, dióxido de carbono al 20 % en un Fermentador New Brunswick BioFlo 110 con un recipiente de cristal de volumen total nominal de 1,3 l. El recipiente de cultivo contiene cuatro deflectores de altura completa, que se extienden 6 mm desde la pared. Se colocan dentro del recipiente de cultivo propulsores Rushton de 6 paletas con doble paleta (de 52 mm de diámetro) y se mantienen a una velocidad de agitación típica de aproximadamente 1000 RPM. El rociador de hidrógeno es un tubo perforado (10 perforaciones de aproximadamente 0,5 mm de diámetro) colocado en un círculo justo por debajo del impulsor de la parte inferior. Las burbujas primarias liberadas del rociador son relativamente grandes y están substancialmente rotas mediante la acción del propulsor.

El recipiente de cultivo se mantiene a una temperatura constante de 60 °C y a un volumen líquido dentro del intervalo de aproximadamente 0,3 l a aproximadamente 1 l (por ejemplo, 0,7 l). Dado que el agua es un producto secundario de la metanogénesis, el líquido se retira de forma constante del reactor. Los microorganismos se mantienen en el recipiente de cultivo con un intervalo de biomasa medido de aproximadamente 0,005 a aproximadamente 0,011 g de sólido seco/ml de agua (0,5-1 % de masa seca por unidad de volumen).

Como alternativa, los microorganismos de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus se mantienen en tubos o frascos de cultivo que comprenden Medio 1 o medio ATCC 2133:OSU967 a 60 °C en condiciones anaerobias que comprende una fase gaseosa de hidrógeno al 80 %, dióxido de carbono al 20 %. Como una alternativa adicional, los microorganismos de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus se mantienen en la superficie del Medio 1 solidificado o Medio ATCC 2133:OSU967 a 60 °C en condiciones anaerobias que comprenden una fase gaseosa de hidrógeno al 80 %, dióxido de carbono al 20 %.

Los microorganismos se crioconservan suspendiendo los microorganismos en un medio de crecimiento líquido que contiene glicerol al 10 %. La suspensión de microorganismos se coloca después en un congelador a -80 °C. Los organismos crioconservados se vuelven a crecer por inoculación en medio líquido reciente o sobre medio solidificado e incubación en condiciones anaerobias a 6o °C como se ha descrito anteriormente.

EJEMPLO 2

Este ejemplo describe dos métodos ejemplares del uso de los microorganismos de la divulgación para producir metano.

Metanogénesis hidrogenotrófica

Los microorganismos de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus se cultivaron en un Fermentador New Brunswick BioFlo 110 en Medio 1 como se describe esencialmente en el Ejemplo 1. Las velocidades de salida del metano e hidrógeno (H2) del cultivo discontinuo se calculan en función de las señales de espectrometría de masas de hidrógeno y metano (corregidas para la probabilidad de ionización) y la velocidad de entrada de hidrógeno. El cálculo supone que todo el hidrógeno que entra en el cultivo discontinuos se convierte en metano a una proporción de 4 H2:1 CH4 o sale del cultivo como hidrógeno que no ha reaccionado. En condiciones de estado estacionario con tiempos de duplicación de 50 horas o mayores, la pequeña proporción de hidrógeno que se consume en el crecimiento de los organismos no se tiene en cuenta en el cálculo.

Cálculo de la productividad de metano VVD. El flujo volumétrico de hidrógeno que entra en el cultivo se controla mediante un controlador de flujo de masa de gases y proporciona una referencia principal para la determinación de la velocidad de producción de metano. La proporción de masas detectada por el espectrómetro de masas a masa 15 hasta la de masa 2 se determina para un intervalo de proporciones de metano con respecto a hidrógeno en mezclas de gas convencionales generadas por controladores de flujo de masa de gas para obtener correcciones constantes. La proporción de masa 15 a masa 2 en corrientes de gas experimentales se multiplica después por la constante de corrección para obtener la proporción de metano con respecto a gas hidrógeno en la corriente de gas de salida del fermentador/reactor. Suponiendo que el hidrógeno en la corriente de gas de entrada se transforma en metano a una proporción molar de 4:1, la velocidad absoluta de flujo de metano e hidrógeno fuera del reactor se calcula a partir de la velocidad de flujo de entrada de hidrógeno y la proporción de gas observada en el flujo que sale. La productividad de metano en unidades de VVD se calcula como el volumen de metano en el flujo que sale por día dividido entre el volumen de líquido del fermentador/reactor.

En un método ejemplar, los microorganismos de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus se cultivan en un Fermentador New Brunswick BioFlo 110 en Medio 1 como se describe esencialmente en el Ejemplo 1. Concretamente, el Fermentador se mantiene con los impulsores que agitan a 1000 RPM y un volumen de cultivo de 400 ml y a una temperatura de 60 °C. El gas hidrógeno se administra al sistema a una velocidad de flujo de gas de H210 l/min y el dióxido de carbono se administra a una velocidad de flujo de gas de 2,5 l/min.

Metanogénesis electrobiológica

Se fabricó una celda electroquímica como se muestra en la Figura 16. El cuerpo se fabricó a partir de polieteretercetona (PEEK) con un compartimento del ánodo y cátodo separado por Nafion 115. El compartimento de ánodo contenía una malla de titanio reforzada con grafito sólido como colector de corriente y capa de difusión de gas, un ánodo fabricado de tela de grafito tejida, con un recubrimiento negro de carbono, que contenía platino al 0,5 %, en el ánodo del lado adyacente a la membrana de Nafion. El compartimento del cátodo contenía una tela de grafito tejido sin platino y un colector de corriente de grafito sólido.

La geometría de la celda electroquímica era cilíndrica con una solución de catolito insertada en el centro del cátodo y fluyendo radialmente a un canal de recogida de fluido cerca del borde externo del cátodo. La solución catolito comprendía Medio 1 o Medio 1 con NaCl añadido para aumentar la conductividad. El medio no proporciona materias primas de carbono no reducidas, demostrando de este modo la naturaleza autótrofa de los microorganismos de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus cuando un electrodo proporciona poder reductor. La velocidad de flujo del catolito fue de aproximadamente 1 ml/min del volumen activo del cátodo fue de aproximadamente 0,25 ml. El aporte de agua al ánodo es mediante difusión a través de la membrana desde el cátodo y el oxígeno producido en el ánodo difunde hacia fuera de la celda a través de canales abiertos al aire.

La celda electroquímica y un cultivo de microorganismos de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus se mantuvieron a una temperatura fija dentro de un horno de convección de vidrio, mientras diversos potenciales eléctricos se mantuvieron a través de la celda como se muestra en la Figura 17. Se utilizó un aporte de Argón y de gas transportador CO2 para mantener la solución de catolito saturada con CO2 y también para llevar el producto de metano rápidamente a un espectrómetro de masas para el análisis. Se usó una trampa de vapor enfriado para impedir que el exceso de agua entre en el espectrómetro de masas.

Las Figuras 18 y 19 muestran datos recogidos a 60 °C con un cultivo de microorganismos catolito de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus que tiene una densidad de biomasa de 8,4 mg de masa seca por ml de cultivo. La Figura 18 muestra la producción de metano e hidrógeno en el cátodo en función del tiempo a medida que el voltaje de la celda completa se modifica linealmente. La producción de metano comienza a voltajes más bajos que la producción de hidrógeno. Se añade cloruro de sodio para aumentar la conductividad del catolito de 8 mS/cm a 25 mS/cm.

La Figura 19 muestra la producción de metano e hidrógeno en función del tiempo para voltajes de celda completa mantenida a los valores fijos indicados. Como se muestra en la Figura 19, los microorganismos producen metano casi instantáneamente después de la adición de energía (voltaje) y el nivel de producción de metano máximo a cada nivel de voltaje se alcanza al cabo de 10 minutos de adición de voltaje. Como se muestra en la Figura 19, los microorganismos detienen la producción de metano casi instantáneamente después de la retirada de energía (voltaje) y el nivel de producción de metano inicial a cada nivel de voltaje se alcanza al cabo de 10 minutos de retirada de voltaje.

EJEMPLO 3

Este ejemplo proporciona un estudio comparativo ejemplar del tiempo de duplicación y la eficacia de utilización de dióxido de carbono entre un microorganismo de la divulgación y un microorganismo precursor inadaptado.

En el momento del depósito de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, la velocidad de dilución (recíproca del tiempo de duplicación) del cultivo continuo en el fermentador se determinó midiendo la velocidad de la retirada de líquido de cultivo del fermentador mediante el sistema que mantiene un volumen líquido constante en la cámara. Los resultados de este análisis demostraron que el cultivo tenía un tiempo de duplicación de 110,8 horas. Las muestras de este cultivo también se usaron directamente como catolito (más catalizador de metanogénesis vivo) en los experimentos presentados en las Figuras 18 y 19.

La muestra del cultivo continuo del fermentador descrito anteriormente también se analizó para determinar la eficacia de la utilización de dióxido de carbono como se expresa mediante la proporción del (número de moléculas de dióxido de carbono transformadas en metano) con respecto al (número de moléculas de dióxido de carbono transformadas en materiales celulares). Concretamente, la masa seca de células en un volumen dado se determinó secando las células sedimentadas hasta un peso constante y se encontró que era de 8,4 g/l de cultivo. Basándose en el tiempo de duplicación determinado, la biomasa aumenta a una velocidad de 0,076 g/l/hora para mantener esta concentración de biomasa en estado estacionario. Este contenido molar de carbono en la biomasa se estimó usando la fórmula empírica para la composición celular que proporciona Schill et al., Biotech Bioeng 51(6): 645-658 (1996): CH1,68O0,3gN0,24 para obtener los moles de carbono de biomasa producido por unidad de tiempo. Los moles de metano producidos en el mismo tiempo se determinaron como se describe en el Ejemplo 2. Siguiendo estos procedimientos, se determinó que el rendimiento de metano por molécula de carbono ganada en biomasa, Yp/x, fue de 66,9 moléculas de metano producido por cada una molécula de dióxido de carbono transformada en material celular. Este resultado también se expresó como el 98,5 % del carbono fijo que se transforma en metano y solamente el 1,5 % del carbono fijo que se está desviando a biomasa.

El microrganismo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus es una cepa adaptada de DMSZ 3590, que se describe en Schill et al., (1996), citado anteriormente. De acuerdo con Schill et al., la cepa inadaptada de DMSZ 3590 presenta velocidades de producción de metano tan altas como aproximadamente 270 volúmenes de metano a temperatura y presión convencional por volumen de cultivo por día (VVD). En cada una de las velocidades ensayadas, los tiempos de duplicación mostraron ser de entre 3 y 10 horas. Esta fase de crecimiento activo es útil cuando la biomasa es el producto deseado. Para los fines de producción de metano, cualquier producción de biomasa adicional es un producto secundario no deseado. El valor más alto de Y^p/^xdocumentado por Schill et al. (véase la Tabla IV) fue de 19,6, o de aproximadamente el 5 % de carbono fijo que se están desviando a biomasa.

Basándose en los datos comunicados en Schill et al. y en los datos comunicados en el presente documento, la eficacia de la transformación de dióxido de carbono en metano de los microorganismos de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus es superior a los de DSMZ 3590, ya que solamente el 1,5 % del dióxido de carbono se transforma en material celular o de mantenimiento del cultivo, a diferencia del ~5 % del dióxido de carbono suministrado transformado en biomasa y mantenimiento celular por el microorganismo de Schill et al. Sin ligarse a una teoría particular, la productividad superior de metano de UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus puede deberse al hecho de que los microorganismos de esta cepa presentan un tiempo de duplicación notablemente bajo.

EJEMPLO 4

Este ejemplo describe un método ejemplar de ensayo de la resiliencia a contaminantes.

Recuperación de la exposición a oxígeno

Los organismos metanogénicos se consideran como anaerobios extremadamente estrictos. Se sabe que el oxígeno es un inhibidor de los catalizadores enzimáticos de la captación de hidrógeno y la metanogénesis. Un potencial de oxidación-reducción (POR) bajo en el medio de cultivo se considera que es importante para la metanogénesis.

En algunas realizaciones, el microorganismo de Methanothermobacter de la divulgación es resiliente a la exposición a oxígeno, ya que el microorganismo demuestra un nivel de productividad de metano después de la exposición a oxígeno que es sustancialmente el mismo que el nivel de productividad de metano presentado antes de la exposición a oxígeno.

La resiliencia a la exposición a oxígeno puede analizarse midiendo la productividad de metano antes, durante y después de la exposición a oxígeno durante diversos periodos de tiempo. Concretamente, la resiliencia puede medirse manteniendo el microorganismo esencialmente como se expone en el Ejemplo 1 y midiendo el nivel de productividad de metano como esencialmente se describe en el Ejemplo 2.

El recipiente de cultivo se expone a aire al 100 % durante 10 minutos, 90 minutos o 15 horas a un caudal de 500 cc/min. El aire ambiental comprende aproximadamente (por contenido molar/volumen) nitrógeno al 78 %, oxígeno al 21 %, argón al 1 %, dióxido de carbono al 0,04 %, trazas de otros gases y una cantidad variable (promedio alrededor del 1 %) de vapor de agua.

Durante la exposición a aire al 100 %, se piensa que la metanogénesis se detiene y que el POR del medio de cultivo aumenta. El aire que se usa en el experimento también desplaza el CO2 disuelto en el medio, provocando que aumente el pH. Después de 10 minutos de exposición a aire al 100 %, los flujos de gases de H2 y CO2 se reestablecen (100 cc/min H2, 25 cc/min CO2).

En un primer experimento, se añaden 1,5 ml de una solución de sulfuro (Na2SH2O) al 2,5 % al cabo de 4 minutos de finalizar el suministro de aire y de restablecer el suministro de gas H2/CO2. El sulfuro se usa ampliamente para controlar el POR de los cultivos, control que se considera esencial. En otro experimento, no se añade sulfuro.

La presencia del hidrógeno en la fase gaseosa es suficiente para reducir el POR del cultivo para permitir la metanogénesis, no se necesita control adicional del POR del cultivo. La carencia de necesidad de sulfuro es de señalar, en el aspecto de que los cultivos metanogénicos se mantienen normalmente a 10.000 ppm de sulfuro de hidrógeno en la fase gaseosa. Tales niveles altos de sulfuro no son tolerados en determinados procesos industriales, por ejemplo, los aranceles de los conductos de gas natural en los Estados Unidos ajustan los niveles máximos de contenido de sulfuro de hidrógeno del gas natural variando de 4-16 ppm, dependiendo del sistema de conducción.

Recuperación de la exposición a monóxido de carbono

El monóxido de carbono (CO) es otro inhibidor conocido de enzimas implicadas en la captación de hidrógeno y la metanogénesis. El CO es un contaminante potencial de CO2 y de corrientes de hidrógeno procedentes de la gasificación de carbón o de fuentes de biomasa. Se examinó el efecto del CO sobre la formación de metano por cultivos metanógenos. La resiliencia a la exposición a CO puede analizarse midiendo la productividad de metano, antes, durante y después de la exposición a oxígeno durante diversos periodos de tiempo. Concretamente, la resiliencia al monóxido de carbono puede medirse manteniendo los microorganismos como se expone esencialmente en el Ejemplo 1 y midiendo el nivel de productividad de metano como se describe esencialmente en el Ejemplo 2.

El pH del cultivo se mantiene constante manteniendo el CO2 de la mezcla de gas al 20 % y cambiando solamente la composición del otro 80 % del gas. El cultivo se expone a una mezcla de CO al 8 % e hidrógeno al 72 % a un caudal de 100 cc/min y CO2 a 25 cc/min durante un periodo de 1,7 horas. Después el cultivo se restablece a un flujo de hidrógeno del 80 % a un caudal de 100 cc/min y CO2 a 25 cc/min.

El cultivo se expone posteriormente de un modo opcional a una mezcla de CO2 al 16 % e hidrógeno al 64 % a un caudal de 100 cc/min y CO2 a 25 cc/min durante un periodo de 1 hora. Después el cultivo se restablece a un flujo de hidrógeno del 80 % a un caudal de 100 cc/min y CO2 a 25 cc/min.

Opcionalmente el cultivo se expone a una mezcla de CO2 al 40 % e hidrógeno al 40 % a un caudal de 100 cc/min y CO2 a 25 cc/min durante un periodo de 20 minutos. Después el cultivo se restablece a un flujo de hidrógeno del 80 % a un caudal de 100 cc/min y CO2 a 25 cc/min.

Opcionalmente el cultivo se expone a una mezcla de CO2 al 60 % e hidrógeno al 20 % a un caudal de 100 cc/min y CO2 a 25 cc/min.

Durante cada exposición, la producción de metano se mide como se describe esencialmente en el Ejemplo 2.

EJEMPLO 5

Este ejemplo demuestra que el microorganismo de Methanothermobacter de la divulgación demuestra un exceso de la capacidad catalítica específica cuando crece en condiciones de estado estacionario, en condiciones casi estacionarias en un fermentador de cultivo continuo.

La actividad catalítica específica de los microorganismos metanogénicos puede expresarse como la proporción de moles de metano formados por hora con respecto a moles de carbono en la biomasa microbiana. En algunas condiciones, uno de los sustratos necesarios puede ser limitante de la reacción, en cuyo caso la capacidad catalítica específica puede superar la actividad catalítica específica medida. Por lo tanto, un aumento del sustrato limitante conduciría a un aumento en la actividad catalítica específica observada. En otras condiciones, la actividad catalítica específica observada puede saturarse con sustrato, en cuyo caso un aumento de la concentración de sustrato no produciría un aumento de la actividad catalítica específica. En condiciones de sustrato saturante, la actividad catalítica específica observada sería igual a la actividad catalítica específica.

Para la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus que crece en estado estacionario como se describe en el Ejemplo 1 con una velocidad de suministro de hidrógeno de 0,2 l/min, la actividad catalítica específica para la producción de metano, qP, se observó que era de 0,37 moles de metano producidos por mol de carbono de biomasa por hora. Cuando la velocidad de suministro de hidrógeno se duplicó a 0,4 l/min, qP se duplicó también a 0,72 moles de metano producidos por mol de carbono de biomasa por hora. Por lo tanto, el cultivo de estado estacionario de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus contiene una capacidad catalítica específica que está en exceso de la actividad catalítica específica que soporta su crecimiento. En otros experimentos con velocidades de suministro de hidrógeno de hasta 5 l/min, se ha observado la actividad catalítica específica de hasta 4 moles de metano por mol de carbono de biomasa sin signos de saturación de la velocidad. Por lo tanto, la actividad catalítica específica de la cepa es de al menos 10 veces mayor de la observada durante el crecimiento en estado estacionario con tiempos de duplicación en el intervalo de 100 horas.

EJEMPLO 6

Desde hace tiempo se sabe que las Arqueas metanogénicas son anaerobios “extremos”, cuyo cultivo requiere un cuidado considerable para eliminar el oxígeno (Balch, W.E. y R.S. Wolfe, New approach to the cultivation of methanogenic bacteria: 2-mercaptoethanesulfonic acid (HS-CoM)-dependent growth of Methanobacterium ruminantium in a pressurized atmosphere. Appl Environ Microbiol, 1976. 32(6): p. 781-91; y Mukhopadhyay, B., E.F. Johnson, y R.S. Wolfe, Reactor-scale cultivation of the hyperthermophilic methanarchaeon Methanococcus jannaschii to high cell densities. Appl Environ Microbiol, 1999. 65(11): p. 5059-65). Las especies metanogénicas autótrofas termófilas se encuentran entre las más sensibles a oxígeno (véase A. y T. Leisinger, Oxygen Sensitivity of Methanogenic Bacteria. Systematic and Applied Microbiology, 1983. 4(3): p. 305-312). A pesar de las otras ventajas prácticas significativas de los metanógenos autotrófos termófilos para procesos biocatalizados comerciales, la sensibilidad extrema al oxígeno emerge como una barrera potencial para su uso en el cultivo a gran escala.

En este ejemplo, se muestra que un pulso de exposición a oxígeno (aire) de un cultivo en tanque con agitación a alta densidad de la cepa UC 120910 adaptada de Methanothermobacter thermautotrophicus (>2 g de peso seco celular/litro) solo inhibe transitoriamente la formación de metano y que el cultivo consume el oxígeno de manera activa. Los resultados de este experimento también demuestran que la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus es capaz de mantener la productividad por encima del 95 % de eficacia de conversión durante periodos prolongados, incluso en presencia de interrupciones del aporte de hidrógeno.

Condiciones generales de crecimiento del cultivo: Los cultivos se crecieron en un reactor de tanque con agitación continuada (Eppendorf/New Brunswick BioFlo 110, cámara microbiológica de 1,3 l con deflectores de altura completa) a 60 °C, que contenía 600 ml de medio y se agitaba a 1000 RPM. El medio contenía NH4Cl 120 mM, NaCl 10 mM, KH2PO410 mM, nitrilotriacetato 1,21 mM, MgCh-6H2O 1 mM, FeCh-4H2O 0,2 mM, L-cisteína 0,2 mM, NO2-6H2O 0,005 mM, CoCl2-6H2O 0,0025 mM, Na2MoO4-2H2O 0,0025 mM, Na2WO40,01mM y Na2SeOa 0,001mM. Se añadió una solución de Na2S-9H2O 0,5 M al cultivo a una velocidad continua de 0,0035 ml/min. El pH del medio se mantuvo a 6,85 mediante la adición automática de una solución de NH4OH 2 M. El volumen del medio en el recipiente de cultivo se mantuvo constante en una base continua a 600 ml por sensor de nivel y una bomba peristáltica que retira el volumen en exceso. Para mantener la composición mineral del medio constante en la fase de dilución mediante el agua metabólica generada durante el proceso de metanogénesis, un volumen de líquido eliminado del reactor se reemplazó mediante una bomba peristáltica paralela que administra 0,04 volúmenes de una mezcla mineral “25x” (NaCl 250 mM, KH2PO4250 mM, nitrilotriacetato 30,25 mM, MgCh-6H2O 25 mM, FeCh-4H2O 5 mM, L-cisteína 5 mM, NO2-6H2O 0,125 mM, CoCh-6H2O 0,0625 mM, Na2MoO4-2H2O 0,0625 mM, Na2WO40,25mM y Na2SeO30,025 mM). El cultivo se roció continuamente a presión ambiente con una mezcla 4:1 de H2:CO2 generada dinámicamente con controladores de flujo de masa. El H2 era para gas de tanque de calidad Ultra Pura y el CO2 era gas para tanque de calidad Completamente Seca. No se tomaron precauciones para retirar cualquier traza de oxígeno que pudiera estar presente en los gases del tanque.

Método de análisis de gases: Los efluentes gaseosos que salen del reactor se pasaron a través de un condensador mantenido a 4 °C y el agua condensada retornó directamente al reactor. El gas pasó después a través de una unión en T unida al capilar de entrada de un espectrómetro de masas (EM) de cuadrupolo MKS Instruments Spectra Products Cirrus programado para controlar de manera continuada la composición de gases en el intervalo de 1 a 50 unidades de masa atómica (uma). Los barridos de alta sensibilidad se repiten a una velocidad de aproximadamente 3 por minuto. En la Figura 20 se muestra un barrido típico. El pico en masa 2 es exclusivamente del ion hidrógeno primario. El pico en masa 16 no solo incluye el ion primario de metano, sino también los productos de fragmentación (átomos de oxígeno) de vapor de agua y de CO2. La fragmentación de iones en masa 15 es exclusivamente de metano y se usa para estimar el contenido de metano con respecto al hidrógeno en el gas efluente. Basándose en las probabilidades de ionización y fragmentación del gas hidrogeno y metano, la respuesta relativa del sistema al hidrógeno (en masa 2) y metano (en masa 15) se determinó que era de 0,625. Es decir, una mezcla equimolar de hidrógeno y metano dio un pico en masa 2 que fue 0,625 veces la altura del pico en masa 15. Dada la entrada conocida de hidrógeno, la proporción molar de hidrógeno con respecto a metano en el gas efluente calculada de los datos de masa 2 y masa 15 como se describe anteriormente, y la suposición de que el hidrógeno se consume esencialmente de un modo cuantitativo en la reacción de metanogénesis en la proporción estequiométrica de 4 hidrógenos por metano producido, puede calcularse la eficacia de transformación del reactor. Los datos de composición similares pueden obtenerse mediante cromatografía de gases del gas efluente.

Determinación de la densidad celular. Muestras por duplicado de 1 ml se retiraron del reactor y las células se sedimentaron en tubos de microcentrífuga previamente pesados a 14000 x g durante 5 min en una microcentrífuga. El líquido se aspiró, teniendo cuidado de no alterar los sedimentos. Después los tubos se colocaron a 60 °C durante dos días y después se pesaron para determinar el peso seco neto de las células.

Productividad de estado estacionario de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus. Los datos de barrido de EM individuales mostrados en la Figura 20 son de un cultivo de metanogénesis continuo de 107 días con la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus rociada en las condiciones de crecimiento especificadas, con una mezcla de H20,2 LN/min y CO20,05 LN/min (véase la Figura 22 descrita más adelante). La densidad celular de peso seco durante este periodo estaba en el intervalo de 8-12 g/l de cultivo. A partir del registro del espectrómetro de masas individual mostrado en la Figura 20, puede estimarse mediante el método de cálculo especificado anteriormente que la proporción de metano con respecto a hidrógeno en una base molar es de 18,43, que corresponde a una eficacia de conversión de hidrógeno en metano de 0,987 y una velocidad de producción de metano de 0,22 mol por l de cultivo por hora. En las condiciones operativas establecidas, la velocidad de dilución total del cultivo de todas las fuentes (agua metabólica, ajuste de pH, adición de Na2S, reemplazo de solución mineral) es de 0,0097 h-1, que corresponde a un tiempo de duplicación de 103 h. En un tiempo de duplicación el cultivo genera ~10 g de masa celular en peso seco, que corresponde a una acumulación de biomasa a una velocidad de 0,0035 mol de biomasa C-l-1 h-1, usando la proporción de biomasa C con respecto a la masa celular seca determinada por Duboc et al. [5]. Por lo tanto, el carbono (hidrógeno) desviado a la producción de biomasa por la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus en las condiciones especificadas es de <1,6 % (<0,8 %) con respecto al implicado en la producción de metano.

Método de exposición al aire. Para proporcionar la exposición transitoria del cultivo al oxígeno, se inyectó una muestra de 60 ml de aire en la corriente de entrada de gas durante un periodo de 10 segundos, sin interrupción del flujo de la mezcla de hidrógeno:CO2.

En la Figura 21 se muestra un resultado típico obtenido inyectando aire como se describe anteriormente en un cultivo maduro a alta densidad (>2 g de masa seca celular/l). Un cultivo maduro es uno en el que la eficacia de producción de metano está en estado estacionario; sin cambios significativos diarios. La intensidad de las masas especificadas se muestra en una escala logarítmica. El caudal de la mezcla de hidrógeno+CO2 total fue de 250 ml/min. Se inyectaron 60 ml de aire en el tiempo = 0. En este caso, se observa una disminución transitoria en la producción de metano (traza de masa 15) después de la introducción de aire. Examinando el descenso de los gases introducidos en el aire, está claro que el oxígeno (traza de masa 32) desciende mucho más rápidamente (agotándose al cabo de 3 min) que el gas inerte nitrógeno (traza de masa 28), lo que requiere ~50 min para agotarse por completo del cultivo. El cultivo denso es claramente capaz de retirar de manera activa el oxígeno del reactor en lo que parece ser un proceso de primer orden. Una vez que el cultivo consume el oxígeno, la producción de metano aumenta de nuevo, retornando a >80 % del nivel antes de la exposición al aire al cabo de 10 min. Es plausible que la velocidad de la retirada de oxígeno en el cultivo denso sea suficiente para mantener la concentración en el medio por debajo de un nivel tóxico.

Desempeño prolongado estable de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus. La Figura 22 muestra la eficacia de la transformación de hidrógeno en metano estimada durante todo el período completo de 107 días de cultivo en estado estacionario a partir de lo cual se han extraído los datos mostrados en este ejemplo. En el registro hay dos huecos (de los días 7-27 y 41-66) durante los cuales el aporte de gas hidrógeno y CO2 fue interrumpido y se dejó que el cultivo se enfriase a temperatura ambiente. En ambos casos, la eficacia de conversión completa retornó después de la reanudación del gaseado con 4:1 de H2:CH4, velocidad de gaseado total de 250 mlN/min, y tan pronto como la temperatura del cultivo alcanzó la temperatura operativa de 60 °C. Los resultados demuestran que la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus es capaz de mantener la productividad por encima del 95 % de eficacia de transformación durante periodos prolongados, incluso en presencia de interrupciones del suministro de hidrógeno.

EJEMPLO 7

Dos costes significativos en la producción de metano a partir de dióxido de carbono son el suministro de poder reductor en forma de gas hidrógeno o energía eléctrica y el suministro de nutrientes a los microorganismos para el mantenimiento y el crecimiento. Cada punto porcentual de mejora en la eficacia de uso del suministro de gases o en la disminución en las necesidades de nutrientes puede tener un impacto positivo significativo sobre la capacidad de una fuente de energía renovable, tal como la descrita en la presente invención, para competir con los combustibles fósiles económicos. Como se muestra más adelante, la presente divulgación proporciona un microorganismo que presenta una reducción significativa del poder reductor necesario y de los nutrientes necesarios.

Concretamente, el poder reductor necesario para la producción de metano puede observarse a través de las demandas de carbono del microorganismo debido a que el poder reductor necesario es directamente proporcional al dióxido de carbono necesario. En el caso de gas hidrógeno, se necesitan 4 moles de gas hidrógeno por cada mol de dióxido de carbono suministrado al microorganismo. En el caso de energía eléctrica directa, se necesitan 8 moles de electrones por cada mol de dióxido de carbono suministrado a los microorganismos. Los microorganismos de la presente divulgación demuestran una necesidad de entre 1/3 y 1/4 del carbono necesario para el mantenimiento y crecimiento de biomasa. Por lo tanto la cantidad de poder reductor en forma de gas hidrógeno o energía eléctrica directa que consumen los microorganismos para el mantenimiento y crecimiento de biomasa se disminuye en un factor de 3 a 4.

Adicionalmente, para dos cepas de microorganismos metanogénicos en cultivo en estado estacionario en idénticas velocidades de suministro de gas, la cepa con un tiempo de duplicación más prolongado presentó una velocidad de aporte de nutrientes proporcionalmente disminuida. Tal relación de ejemplo se muestra en la Figura 24. El microorganismo de la presente divulgación demuestra tiempos de duplicación de cultivo que superan en 10 veces el tiempo más largo demostrado en la bibliografía para la cepa parental.

Una alícuota de un cultivo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, depositada el 21 de diciembre de 2010, en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561, se inoculó, se cultivó y se mantuvo en un biorreactor con agitación continuada de 7.5 l. En la Figura 23 se muestra una configuración esquemática.

Se prepararon medios y el cultivo se inoculó de acuerdo con el siguiente procedimiento. Se prepararon nutrientes generales de manera anaerobia para que tuviesen las siguientes concentraciones y designados como nutrientes 25x: KH2PO4250 mM, NaCl 250 mM, Na3nitrilotriacetato 20 mM, nitrilotriacetato 10 mM, resazurina 0,05 mM, NiCh-6H2O 0,125 mM, CoCl2-6H2O 0,0625 mM, Na2MoO4-2H2O 0,0625 mM, L-cisteína 12,5 mM, FeSO4-H2O 5 mM, MgCl2-6H2O 25 mM, Na2WO40,25 mM, Na2SeO30,025 mM.

Se pusieron tres litros de agua desoxigenada en un fermentador limpio y estéril BioFlow 110 con un recipiente de 7.5 l de New Brunswick Scientific y se calentó a 60 °C. Las sondas para la temperatura, pH y POR (potencial de oxígeno reducción) se calibraron según necesidad y se instalaron. Se añadieron 160 ml de nutrientes 25x seguido de 200 ml de NH4Cl 2,4 M y 12 ml de Na2CO31,0 M. El suministro de gas activó a la velocidad deseada, tal como una velocidad baja de 0,20 SLPM gas H2 y 0,05 SLPM de gas CO2. Los gases se rociaron desde la parte inferior. La agitación se inició usando 3 impulsores Rushton a igual distancia y se añadieron 40 ml de Na2S-9H2O 0,5 M. El pH se ajustó a 6,85 y se añadió agua desoxigenada adicional para llevar el nivel de líquido total a 4,0 l. Finalmente, todas las líneas de suministro se conectaron como se muestra en la Figura 1 y el cultivo se inoculó con 40 ml de inóculo, que tenía preferentemente una densidad de inóculo (medida por peso seco) de al menos 8 mg/ml.

Después de la incubación, se añadió NH4OH para mantener el pH a aproximadamente 6,85 y una vez comenzado el crecimiento se añadió Na2S-9H2O 0,5 M a entre 3,5 |il/min y 10,5 |il/min. Se añadió antiespumante según fuese necesario y el cultivo se mantuvo a una altura de líquido constante de aproximadamente 4,0 l retirando cultivo lentamente según fuera necesario. A medida que el cultivo se retiraba, se añadían nutrientes 25x para mantener aproximadamente constantes las concentraciones de los nutrientes. A medida que el cultivo crecía y aumentaba la densidad, la velocidad de conversión de gas hidrógeno y dióxido de carbono con respecto a metano aumentaba. Véase la Figura 25 para un ejemplo del crecimiento temprano de la densidad óptica (linealizada) medida a 600 nm para tres cultivos distintos resultantes de la inoculación mediante una alícuota de la cepa UC120910. Las tres curvas de crecimiento se ajustaron a una exponencial. La curva exponencial se muestra para dos de los tres cultivos para los que se recogieron significativamente más datos en tiempos tempranos.

La Figura 26 muestra el crecimiento en tiempo tardío de uno de los cultivos hacia las 627 horas. El ajuste exponencial no es apropiado después de aproximadamente 30 horas a la densidad del cultivo alcanza una meseta aproximadamente a las 150 horas. En los tiempos tempranos durante el crecimiento exponencial descritos anteriormente, el tiempo de duplicación del cultivo puede medirse mediante y para los tres cultivos, es de aproximadamente 8 horas como se muestra mediante la línea horizontal en negrita y el eje derecho. En los tiempos tardíos, durante el cultivo en la fase estacionaria el tiempo de duplicación es mucho más prolongado y en este caso particular, fue de aproximadamente 990 horas como se muestra mediante la línea horizontal en negrita y el eje derecho.

La densidad de cultivo se mide centrifugando y secando una muestra para medir el peso seco. Como alternativa, puede medirse una densidad de cultivo relativa con una densidad óptica a 600 nm linealizada diluyendo la muestra, midiendo la densidad óptica y después multiplicando la densidad óptica por el factor de dilución. La velocidad de conversión de gases hidrógeno y dióxido de carbono en gas metano puede determinarse a través de cuatro medios principalmente. En primer lugar, la velocidad a la que el gas fluye hacia adentro puede compararse con la velocidad a la que el gas seco fluye hacia afuera. A una conversión del 100 %, 5 moles de gases hidrógeno y dióxido de carbono se transforman en un molde metano. En la práctica, más de un mol de gas fluye hacia afuera debido a las velocidades de conversión que se observa que son entre el 45 % y el 98 %. Se utiliza un medidor de pompas de jabón para mediciones de mayor precisión de velocidades de flujo de gas de gases mixtos. En segundo lugar, la velocidad de producción de agua proporciona una medida de la producción de metano debido a que dos moles de agua se producen por cada mol de metano. Los líquidos totales añadidos y retirados se siguen diariamente, o más frecuentemente, para determinar las velocidades de conversión de gas en tiempo promediado mediante esta medición de producción de agua. En tercer lugar, se han recogido ocasionalmente muestras de gases de entrada y salida con cartuchos Summa y se han suministrados a un laboratorio analítico externo independiente para análisis mediante técnicas de cromatografía de gases convencionales. En cuarto lugar, los datos de espectrometría de masas proporcionan una medida altamente sensible de las velocidades de transformación de gas que pueden cuantificarse normalizando las señales en cada pico de masa basándose en la sensibilidad del detector y en las probabilidades de ionización, como se describe en cualquier parte en esta solicitud. Se usan frecuentemente múltiples técnicas de manera simultánea y en general demuestran ser mutuamente coherentes.

A través de las mediciones de la producción de metano, la densidad de biomasa y la producción de agua, puede determinarse la eficacia del carbono de los microorganismos. Concretamente, la proporción de gramos de metano producidos por gramo de biomasa puede calcularse directamente. Adicionalmente, puede calcularse la proporción de átomos de carbono que se transforman en metano con respecto a los átomos de carbono que se transforman en biomasa para entender la eficacia farádica de estos microorganismos como catalizadores para el reciclado de dióxido de carbono en metano. Puede calcularse esta proporción a partir del uso de la composición elemental aproximada de un ejemplo de Methanothermobacter de CH168 O0,3gN0,24 (Schill et al., citados anteriormente). Como alternativa, esto puede expresarse como una proporción de moléculas de metano producidas por molécula de dióxido de carbono suministrada a los microorganismos en solución.

EJEMPLO 8

Una alícuota de un cultivo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus depositada el 21 de diciembre de 2010, en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561, se cultivó como se ha descrito anteriormente en el Ejemplo 7. Se dejó al cultivo de 4,0 l alcanzar las condiciones de estado estacionario con gas hidrógeno suministrado a 0,40 SLPM y dióxido de carbono suministrado a 1/4 de esa velocidad, lo que dio como resultado un cultivo con una densidad de peso seco de 10,9 mg/ml. La producción de agua se midió a lo largo de 43 horas y se muestra en la Figura 27. La producción de agua promedio fue de 8,16 ml/hora. Esto corresponde a 3,8 mmol/h de carbono que se transforma en biomasa o aproximadamente 70 átomos de carbono liberados como metano por cada átomo de carbono que se desvía a biomasa cuando el cultivo está funcionando en estas condiciones de estado estacionario. De manera equivalente, hubo 98,6 moléculas de metano liberadas por cada 100,0 moléculas de dióxido de carbono suministradas a los microorganismos. Y, de manera equivalente, hay 40 g de metano producidos por cada gramo de biomasa producida. En estas condiciones el tiempo de duplicación del cultivo fue de aproximadamente 490 horas mientras que la velocidad de aporte de dióxido de carbono fue de 36 VVD y la velocidad de aporte de hidrógeno fue de 144 VVD.

De acuerdo con Schill et al., citados anteriormente, la cepa parental de Methanothermobacter thermautotrophicus (DSM 3590) después de alcanzar su densidad más alta y conseguir condiciones casi de estado estacionario, normalmente desvió aproximadamente 1 en 16 a 1 en 19 de los átomos de carbono a biomasa con los restantes transformados a metano mientras que el suministro de gas fue de entre 230 VVD y 1150 VVD de hidrógeno y entre 58 VVD y 288 VVD de dióxido de carbono. En estas condiciones el tiempo de duplicación de este cultivo de la cepa parental se comunica que es de aproximadamente 10 horas.

A continuación, se finalizó el suministro de gas al cultivo, se desconectó todo suministro de nutrientes, y todos los tubos hacia dentro y fuera del reactor se cerraron. La agitación se desconectó y el cultivo se dejó enfriar a temperatura ambiente. El cultivo se dejó permanecer inactivo sin suministro de gas o de otro aporte químico durante más de cuatro semanas. Después del reinicio del aporte de gas y después de calentar el recipiente, el cultivo comenzó a convertir hidrógeno y dióxido de carbono en metano de nuevo. La velocidad de conversión superó el 80 % de los gases de entrada cuando la temperatura del cultivo alcanzó los 60 °C.

Después de la reactivación de este cultivo como se ha descrito anteriormente, el cultivo se utilizó para diversas mediciones del desempeño de la transformación de gas del sistema y para diversas mediciones de la fuerza del cultivo. El cultivo se mantuvo durante más de 150 días con inicios y detenciones intermitentes. La productividad de metano del cultivo fue en general coherente a lo largo de los 150 días.

EJEMPLO 9

Una alícuota de un cultivo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus, depositada el 21 de diciembre de 2010, en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561, se cultivó como se ha descrito anteriormente en el Ejemplo 7. El cultivo se expuso a gases hidrógeno y dióxido de carbono a una proporción de 4:1. El hidrógeno y el dióxido de carbono se encendían y se apagaban aunque se usó un flujo continuo de metano a través del reactor para mantener un flujo de gas incluso cuando no se aportaba hidrógeno o dióxido de carbono. La Figura 28 muestra la producción de metano del cultivo mientras se aporta hidrógeno y dióxido de carbono (círculos negros) y mientras el suministro de hidrógeno y de dióxido de carbono se corta (círculos blancos). La productividad de metano continúa incluso después de que se corte el suministro de hidrógeno y dióxido de carbono debido a los gases residuales en el reactor. Las mediciones de la productividad de metano en la Figura 28 se realizan a través del uso de un medidor de pompas de jabón para observar los caudales de gas fuera del reactor. Claramente, la productividad del sistema comienza dentro de la resolución temporal del aparato de medición incluso después de cortar el suministro de hidrógeno y de dióxido de carbono durante más de 20 o más de 30 minutos.

EJEMPLO 10

Una alícuota de un cultivo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus depositada el 21 de diciembre de 2010, en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561, se cultivó como se ha descrito anteriormente en el Ejemplo 7. Este cultivo se mantuvo en un volumen de líquido de 3,0 l en aproximadamente 20,68 kPa de presión y se proporcionó gas hidrógeno a una velocidad de 0,48 SLPM (230 VVD) y dióxido de carbono a una velocidad de 0,12 SlPm (58 VVD). El pH se mantuvo entre 6,83 y 6,85. Se mostró que el desempeño del sistema era estable y estacionario durante 40 días como se demostró mediante los datos de producción de agua mostrados en la Figura 29. Para las 90 últimas horas de esta recogida de datos, se realizó una medición casi continua de los caudales de gas y se muestra en la Figura 30. La mejor línea de ajuste a los datos de conversión indica una conversión del 86 % y un cambio nulo en la velocidad de conversión a lo largo de más de 90 horas. A esta velocidad especificada de suministro de gas y velocidad de transformación de gas, el cultivo produce 0,10 SLPM de metano (de manera equivalente a 50 VVD de producción de metano). A lo largo de este periodo de tiempo, el cultivo mantuvo una densidad de peso seco de 15,3 mg/ml y liberó aproximadamente 60 moléculas de metano como un producto secundario residual para cada átomo de carbono añadido a la biomasa. De manera equivalente, hubo 98,3 moléculas de metano liberadas por cada 100,0 moléculas de dióxido de carbono suministradas a los microorganismos. Y, de manera equivalente, hay 36 gramos de metano producido por cada gramo de biomasa producido. El tiempo de duplicación del cultivo fue de 380 horas en estas condiciones a lo largo de este periodo de recogida de datos de 40 días.

EJEMPLO 11

Una alícuota de un cultivo de la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautotrophicus depositada el 21 de diciembre de 2010, en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561, se cultivó como se ha descrito anteriormente en el Ejemplo 7. El cultivo se cultivó a una densidad estable usando una mezcla estequiométrica de H2 y CO2 a 0,20 l/min de H2 y 0,05 l/min de CO2. Después el cultivo se suspendió temporalmente y se transportó al sitio de un digestor anaerobio de producción de biogás. El biogás no se filtró y contenía de forma dominante CO2 (30 % en volumen) y metano (68 % en volumen). También se sabía que contenía vapor de agua y sulfuro de hidrógeno. La velocidad de entrada de biogás se controló mediante una bomba peristáltica digital diseñada para proporcionar un flujo de gas constante.

El reactor se reinició en el sitio del biogás pero usando las velocidades originales de aporte de H2 y CO2 suministradas por los tanques de gas. El reactor se controló hasta la mañana siguiente para asegurar que el cultivo y la eficacia de transformación eran estables después del traslado. La mañana siguiente se recogió una muestra del biogás de entrada para el análisis, después el aporte de CO2 se desconectó y se sustituyó con un aporte de biogás (con el aporte de H2 permaneciendo constante). Dos horas después se recogió para análisis una muestra del gas de salida del reactor. Durante las siguientes 192 horas (8 días) las velocidades de entrada de gas se mantuvieron constantes mientras se registraban las condiciones del reactor.

La velocidad de aporte del biogás se seleccionó de una manera que el CO2 pudiera estar en exceso. La bomba peristáltica funcionó a 0,240 l/min y la salida real se registró a diario (la salida observada diaria promedio fue de 0,239 l/min). Esto da como resultado una velocidad de suministro de gas de 34 VVD de CO2 y de 96 VVD de H2.

La producción diaria de agua se registró antes y durante el ensayo y se muestra en la Figura 31. Antes del traslado, cuando se aportaba al reactor CO2 procedente del tanque de gas, la producción de agua era de 4,9 ml/hora mientras después del traslado y mientras que se ejecutaba el biogás la producción de agua fue de 2,9 ml/hora. Parte de esta caída en la velocidad se debió a los tiempos de residencia disminuidos de los gases en el reactor (con la velocidad seleccionada para el biogás, el tiempo de residencia es de aproximadamente la mitad del de cuando se usa el CO2 puro). Por lo tanto, se esperaba la disminución de la producción de agua.

La producción de biomasa se registró en todo el ensayo y la densidad óptica y el peso seco se muestran en las Figuras 33 y 32, respectivamente. A lo largo del ensayo sobre el biogás, el cultivo aumentó en la biomasa en alrededor del 17 % medido por peso seco y en alrededor del 7 % medido por densidad óptica. Usando la metodología descrita anteriormente, puede calcularse la proporción de carbono con respecto a la biomasa. Se usan aproximadamente 52 átomos de carbono para la producción de CH4 para cada átomo individual de carbono que va a la producción de biomasa. De manera equivalente, hubo 98,1 moléculas de metano liberadas por cada 100,0 moléculas de dióxido de carbono suministradas al microorganismo. Y, de manera equivalente, hay 20 gramos de metano producido por cada gramo de biomasa producido. A lo largo del ensayo sobre el biogás, el tiempo de duplicación del cultivo fue de aproximadamente 990 horas.

El uso de los términos “un” y “una” y “el” y “la” y referentes similares en el contexto de la descripción de la invención (en especial, en el contexto de las siguientes reivindicaciones), deben considerarse para cubrir tanto el plural como el singular, a menos que se indique de otra manera en el presente documento o el contexto lo contradiga claramente. Los términos “que comprende”, “que tiene”, “que incluye” y “que contiene” deben considerarse como términos ilimitados (es decir, que significan “que incluye, pero sin limitación”) a menos que se indique otra cosa. La enumeración de los intervalos de valores en el presente documento está destinada simplemente a servir como un método abreviado para referirse de forma individual a cada valor distinto que se encuentra dentro del intervalo y cada extremo, a menos que se indique otra cosa en el presente documento, y cada valor y extremo distinto y se incorpora en la memoria descriptiva como si se enumerara de forma individual en el presente documento.

Todos los métodos descritos en el presente documento pueden realizarse en cualquier orden adecuado a menos que se indique otra cosa en el presente documento o que de otra manera el contexto lo contradiga claramente. El uso de cualquiera y de todos los ejemplos, o el lenguaje ejemplar (por ejemplo, “tal como”) proporcionado en el presente documento, está destinado simplemente a iluminar mejor la invención y no plantea una limitación sobre el alcance de la invención a menos que se reivindique otra cosa. Ningún lenguaje en la memoria descriptiva debería considerarse como indicativa de ningún elemento no reivindicado como esencial para la práctica de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema para producir metano a partir de dióxido de carbono, que comprende un suministro de dióxido de carbono, una fuente de energía reductora, y microorganismos de Methanothermobacter cultivados a una temperatura de 50 grados C o más y un pH de 8 a 10 en un medio de cultivo que da soporte a una fase estacionaria de crecimiento de dichos microorganismos, en donde dichos microorganismos son (a) la cepa UC 120910 Methanothermobacter thermautotropjicus depositado el 21 de diciembre de 2010 con la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561 o (b) una variante que proviene de (a) que conserva las características fenotípicas de conversión de CO2 de (a) y en donde dichos microorganismos presentan una eficacia de producción de metano que es de al menos 25 moléculas de CO2 convertidas a metano por molécula de CO2 convertida a material celular, produce al menos 96 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas a los microorganismos y/o produce al menos 17 gramos de metano a partir de dióxido de carbono por 1 gramo de material celular producido a partir de dióxido de carbono.

2. El sistema de la reivindicación 1, en donde (i) la fuente de energía reductora comprende hidrógeno gas, (ii) el suministro de dióxido de carbono es dióxido de carbono de un proceso industrial o dióxido de carbono del ambiente, 0 (iii), tanto (i) como (ii).

3. El sistema de la reivindicación 1 o 2, en donde los microorganismos metanógenos son capaces de volver al menos a 80 % de la productividad del metano en el estado operativo en 20 minutos de resuministro de hidrógeno electricidad después de estar en un estado inactivo durante al menos 2 horas.

4. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde los microorganismos metanógenos se cultivan a un potencial redox por debajo de -100 mV.

5. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde los microorganismos metanógenos se cultivan en un biorreactor.

6. El sistema de la reivindicación 5, en donde el biorreactor tiene una capacidad total de 750.000 gal.

7. Uso del sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 para producir metano a partir de dióxido de carbono.

8. Un método de cultivo de un microorganismo patógeno para la producción de metano, que comprende cultivar un microorganismo de Methanothermobacter en condiciones que comprenden una temperatura de 50 grados C o mayor y un pH de 8 a 10 en un medio de da soporte a una fase estacionaria de crecimiento de dichos microorganismos, en donde dichos microorganismos son (a) la cepa UC 120910 de Methanothermobacter thermautitrophicus, depositada el 21 de diciembre de 2010 en la Colección Americana de Cultivos Tipo (ATCC®) con la Identificación de Depósito de Patente ATCC® n.° PTA-11561, o (b) una variante que proviene de (a) que conserva las características fenotípicas de conversión de CO2 de (a), y en donde los microorganismos metanógenos presentan una eficacia de producción de metano que es de al menos 25 moléculas de CO2 convertidas a metano por molécula de CO2 convertida a material celular, produce al menos 96 moléculas de metano por 100 moléculas de dióxido de carbono suministradas a los microorganismos, y/o produce al menos 17 gramos de metano a partir de dióxido de carbono por 1 gramo de material celular producido a partir de dióxido de carbono.

9. El método de la reivindicación 8, en donde la temperatura es de 50 grados C a 100 grados C.

10. El método de la reivindicación 9, en donde la temperatura es de 60 grados C a 80 grados C.

11. El método de la reivindicación 8, en donde los microorganismos metanógenos se cultivan en un biorreactor que tiene una capacidad total de 750,000 gal.