BRPI1105142B1 - extractive fermentation process and use - Google Patents

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BRPI1105142B1
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BR
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solvent
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biodiesel
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Eduardo Vaz-Rossell Carlos
Maugeri Filho Francisco
Reinerus Maria Zautsen Remigius
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Univ Estadual Campinas Unicamp
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Abstract

processo de fermentação extrativa e uso do mesmo. a presente invenção se refere a um processo de fermentação extrativa. mais especificamente, a presente invenção se refere a um processo de fermentação extrativa que emprega um único solvente capaz de remover produtos e inibidores simultaneamente, além de resfriar o meio. além disso, a apresente invenção se refere ao uso do processo. especificamente, a presente invenção se refere ao uso do biodiesel, tais como biodiesel de óleo de soja, de milho, de mamona, de dendezeiro, de macaúba, de macaúba, entre outros, como agente extrator biocompatível para a extração in-situ de produto e e/ou componentes inibidores da fermentação, especificamente o produto da fermentação e compostos inibidores presentes nos mostos provenientes de processos hidrolíticos de matéria-prima lingo-celulósica, amilácea, carboidratos diretamente extraíveis, melaços fortemente esgotados com alto conteúdo de inibidores como, entre outros, biotina, ou mostos similares ricos em carboidratos, como também para o resfriamento do meio da fermentação pelo próprio solvente.extractive fermentation process and use. the present invention relates to an extractive fermentation process. more specifically, the present invention relates to an extractive fermentation process that employs a single solvent capable of removing products and inhibitors simultaneously, in addition to cooling the medium. furthermore, the present invention relates to the use of the process. specifically, the present invention refers to the use of biodiesel, such as biodiesel from soybean oil, corn, castor oil, oil palm, macauba, macauba, among others, as a biocompatible extraction agent for in-situ product extraction and and / or fermentation inhibiting components, specifically the fermentation product and inhibitory compounds present in musts from hydrolytic processes of lingo-cellulosic raw material, starch, directly extractable carbohydrates, molasses strongly depleted with a high content of inhibitors such as, among others, biotin, or similar musts rich in carbohydrates, as well as for cooling the fermentation medium by the solvent itself.

Description

PROCESSO DE FERMENTAÇÃO EXTRATIVA E USO DO MESMOEXTRACTIVE FERMENTATION PROCESS AND USE OF THE SAME

Campo da InvençãoField of the Invention

A presente invenção se refere a um processo de fermentação extrativa. Mais especificamente, a presente invenção se refere a um processo de fermentação extrativa que emprega um único solvente capaz de remover produtos e inibidores simultaneamente, e/ou resfriar o meio. Além disso, a presente invenção se refere ao uso do processo, por exemplo, para obtenção de etanol.The present invention relates to an extractive fermentation process. More specifically, the present invention relates to an extractive fermentation process that employs a single solvent capable of simultaneously removing products and inhibitors, and / or cooling the medium. In addition, the present invention relates to the use of the process, for example, to obtain ethanol.

Antecedentes da InvençãoBackground of the Invention

É fato conhecido que a obtenção de produtos de fermentação, como ácidos orgânicos, solventes e alcoóis, a partir de carboidratos depende muito dos custos de matériaprima e custos de capital e energia, tornando outros fatores de importância secundária. Desenvolvimento de tecnologia de produção de combustíveis, alcoóis, solventes ou ácidos orgânicos de segunda geração tem como princípio a conversão de biomassa, geralmente ligno-celulósica, amilácea e similares, ou carboidratos diretamente extraíveis, transformando-as em produtos de interesse econômico de maior valor agregado.It is a known fact that obtaining fermentation products, such as organic acids, solvents and alcohols, from carbohydrates depends a lot on raw material costs and capital and energy costs, making other factors of secondary importance. Development of technology for the production of second generation fuels, alcohols, solvents or organic acids has the principle of converting biomass, usually ligno-cellulosic, starch and the like, or directly extractable carbohydrates, transforming them into products of higher economic value. aggregate.

Na fermentação alcoólica convencional e principalmente na fermentação alcoólica de segunda geração, a produtividade da mesma é limitada por efeitos de inibição,In conventional alcoholic fermentation and mainly in second generation alcoholic fermentation, its productivity is limited by inhibition effects,

2/91 seja pelo produto da fermentação ou por inibidores introduzidos na extração dos carboidratos da matéria-prima ou inibidores provenientes da hidrólise de biomassa lignocelulósica. O mesmo problema surge também na fermentação para a produção de outros produtos como, por exemplo, acetona, butanol, e produtos do tipo ácido orgânico como ácido acético, ácido propiônico, ácido láctico, ácido succinico, ácido butanóico, entre outros ou qualquer combinação destes. Tecnologias desenvolvidas e atualmente usadas na indústria pretendem diminuir este efeito de inibição por detoxificação do meio antes da fermentação e/ou remoção do produto após a fermentação.2/91 either by the fermentation product or by inhibitors introduced in the extraction of carbohydrates from the raw material or inhibitors from the hydrolysis of lignocellulosic biomass. The same problem also arises in fermentation for the production of other products such as, for example, acetone, butanol, and products of the organic acid type such as acetic acid, propionic acid, lactic acid, succinic acid, butanoic acid, among others or any combination of these . Technologies developed and currently used in the industry aim to reduce this effect of inhibition by detoxification of the medium before fermentation and / or removal of the product after fermentation.

Para evitar a introdução de inibidores durante o processo de extração de carboidratos da matéria-prima, por exemplo cana de açúcar ou beterraba, a temperatura empregada nesta etapa deve ser mantido baixa, em detrimento de maiores rendimentos de extração destes carboidratos que podiam ser obtidos para temperaturas maiores.To avoid the introduction of inhibitors during the process of extracting carbohydrates from the raw material, for example sugar cane or beet, the temperature used in this step must be kept low, to the detriment of higher extraction yields of these carbohydrates that could be obtained for higher temperatures.

Para fermentações de biomassa hidrolisado, pesquisas têm sido realizadas para desenvolver meios de remoção de componentes inibidores do caldo hidrolitico antes da introdução do mesmo no estágio de fermentação.For hydrolyzed biomass fermentations, research has been carried out to develop means of removing inhibitory components from the hydrolytic broth before its introduction in the fermentation stage.

Um método convencionalmente aplicado é o tratamento alcalino do caldo, por exemplo, a caleação: aumento de pH aA conventionally applied method is the alkaline treatment of the broth, for example, the callus: increase of pH at

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9-10 com hidróxido de cálcio. Além da neutralização do caldo e sedimentação de sais com ácido sulfúrico na forma de gipsita, compostos como furfural e HMF são quimicamente alterados, diminuindo a toxicidade destes inibidores, o qual foi descrito por Martinez e colaboradores, no trabalho intitulado Detoxification of dilute acid hydrolysates of9-10 with calcium hydroxide. In addition to the neutralization of the broth and sedimentation of salts with sulfuric acid in the form of gypsum, compounds such as furfural and HMF are chemically altered, decreasing the toxicity of these inhibitors, which was described by Martinez and collaborators, in the work entitled Detoxification of dilute acid hydrolysates of

lignocellulose with lignocellulose with lime' file ' '' publicado '' published na at Biotechnology Biotechnology Progress 17; 287-293 Progress 17; 287-293 em in 2001. Porém, 2001. However, o O método tem a method has the desvantagem de reduz disadvantage of reduces ir a will qualidade e quality and a The quantidade de quantity of açúcar. sugar. Para tratamentos For treatments baseados em adsorção adsorption-based de inibidores, of inhibitors, como a adsorção por like adsorption by carvão ativo ou active coal or troca iônica, uma ion exchange, a excelente adsorção excellent adsorption dos From compostos pode compounds can dificultar a hinder

regeneração do carvão ou resina, de forma que sua utilização se torna inviável, o qual foi comprovado por Sainio e colaboradores no trabalho intitulado Adsorptive removal of fermentation inhibitors from concentrated hydrolyzates of lignocellulosic biomass publicado na Bioresource Technology 102; 6048-6057 em 2011.regeneration of coal or resin, so that its use becomes impracticable, which was proven by Sainio and collaborators in the work entitled Adsorptive removal of fermentation inhibitors from concentrated hydrolyzates of lignocellulosic biomass published in Bioresource Technology 102; 6048-6057 in 2011.

A aplicação de todos estes métodos possue efeitos positivos na fermentação, mas a instalação e uso de um estágio separado de tratamento do mosto antes da fermentação encarece o processo, exceto para tratamentos in-situ, como a detoxificação microbiológica in-situ ouThe application of all of these methods has positive effects on fermentation, but the installation and use of a separate must treatment stage before fermentation makes the process more expensive, except for in-situ treatments, such as in-situ microbiological detoxification or

4/91 extração líquido-líquido utilizando um solvente biocompatível.4/91 liquid-liquid extraction using a biocompatible solvent.

O mais simples tratamento microbiológico in-situ emprega a própria levedura de fermento, eventualmente em elevada concentração, para diminuir a toxicidade do meio, ou pela imobilização, reciclo de células ou alimentação controlada na fermentação batelada-alimentada, conforme descreveu Talebnia e Taherzadeh, no trabalho intitulado In situ detoxification and continuous cultivation of diluteacid hydrolyzate to ethanol by encapsulated S. cerevisiae publicado no Journal of Biotechnology 125, 377-384, em 2006.The simplest in-situ microbiological treatment uses the yeast itself, possibly in high concentration, to reduce the toxicity of the medium, either by immobilization, cell recycling or controlled feeding in batch-fed fermentation, as described by Talebnia and Taherzadeh, in work entitled In situ detoxification and continuous cultivation of diluteacid hydrolyzate to ethanol by encapsulated S. cerevisiae published in the Journal of Biotechnology 125, 377-384, in 2006.

Porém, a desvantagem destes métodos é a limitada taxa de detoxificação pela levedura, prejudicando o crescimento e produtividade e aumentando o tempo do processo fermentativo, além do acúmulo de inibidores que não podem ser convertidos como vários ânions de ácidos orgânicos conforme comprovou Almeida e colaboradores no trabalho intitulado: Increased tolerance and conversion of inhibitors in lignocellulosic hydrolysates by Saccharomyces cerevisiae” publicado no Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 82 (2007) 340-349 em 2007.However, the disadvantage of these methods is the limited rate of detoxification by yeast, impairing growth and productivity and increasing the time of the fermentation process, in addition to the accumulation of inhibitors that cannot be converted as various anions of organic acids, as proved by Almeida et al. work entitled: Increased tolerance and conversion of inhibitors in lignocellulosic hydrolysates by Saccharomyces cerevisiae ”published in the Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 82 (2007) 340-349 in 2007.

regime de fermentação extrativa contínua a vácuo foi estudado por Atala em sua tese de doutorado intituladacontinuous vacuum extractive fermentation regime was studied by Atala in his doctoral thesis entitled

5/915/91

Montagem, instrumentação controle e desenvolvimento experimental de um processo fermentative extrativo de produção de etanol, FEA/UNICAMP em 2004 para remover o etanol do meio durante a fermentação com um evaporador a vácuo do tipo flash. O sistema, diminui a concentração de etanol no meio até em torno de 5 °GL, ou seja, abaixo do nível de inibição. Em conseqüência, a fermentação, alimentada com fluxo com alto teor de açúcar (até em torno de 500g/L), mostrou menor inibição pelo etanol produzido, alta viabilidade e produtividade volumétrica. Além disso, a concentração de etanol no fluxo de vapor proveniente do evaporador pode reduzir custos na recuperação do produto conforme descreveu Junqueira e colaboradores no trabalho intitulado Simulation and optimization of the continuous vacuum extractive fermentation for bioethanol production and evaluation of the influence on distillation process publicado no Computer Aided Chemical Engineering 26; 827832 em 2009. A alta concentração de substrato resulta em menor quantidade de água utilizado no processo integral de produção de etanol, implicando menor gasto energético, e flegmassa e vinhaça mais concentrados. O último resulta em menor custo de secagem e transporte de vinhaça para os campos de cana para fertilização dos mesmos. Também foi previsto um resfriamento eficiente da dorna, pelo próprioAssembly, instrumentation, control and experimental development of an extractive fermentative process for ethanol production, FEA / UNICAMP in 2004 to remove ethanol from the medium during fermentation with a flash-type vacuum evaporator. The system reduces the concentration of ethanol in the medium to around 5 ° GL, that is, below the inhibition level. As a result, fermentation, fed with a flow with a high sugar content (up to around 500g / L), showed less inhibition by the ethanol produced, high viability and volumetric productivity. In addition, the concentration of ethanol in the vapor stream from the evaporator can reduce costs in the recovery of the product as described by Junqueira and collaborators in the work entitled Simulation and optimization of the continuous vacuum extractive fermentation for bioethanol production and evaluation of the influence on distillation process published Computer Aided Chemical Engineering 26; 827832 in 2009. The high concentration of substrate results in less water used in the integral ethanol production process, implying less energy expenditure, and more concentrated phlegm and vinasse. The latter results in a lower cost of drying and transporting vinasse to the sugarcane fields to fertilize them. An efficient cooling of the vat was also foreseen, by the

6/91 sistema a vácuo.6/91 vacuum system.

Neste sistema, ainda não foi estudado o uso de caldo hidrolitico como substrato, a economia do uso de membrana para reciclo de células e o evaporador flash na escala industrial em combinação com a taxa elevada do reciclo pelo sistema. O evaporador a vácuo pode provavelmente diminuir as concentrações de inibidores voláteis como furfural e ácido acético, enquanto outros inibidores como baunilha e 4-hidroxibenzaldeido podem acumular caso a massa celular não seja bastante elevada para conversão efetiva dos mesmos. Também, o estresse elevado do fermento, gerado pela alta taxa de reciclo de levedura pode influenciar negativamente a viabilidade da mesma em sistema de escala industrial, embora este efeito não tenha sido observado na escala de bancada. No entanto, é possível que a baixa concentração de etanol seja de importância maior para manter alta viabilidade. Neste contexto, é importante lembrar que o fator de estresse devido à presença do produto e de inibidores no caldo hidrolitico pode se somar ao estresse que ocorre na membrana celular através do sistema de reciclo de células. Por exemplo, os inibidores fenólicos justamente perturbam a integridade da membrana celular e outros inibidores provocam desvio de ATP para reparos intracelulares, em detrimento de manutenção daIn this system, the use of hydrolytic broth as a substrate, the economics of using a membrane for recycling cells and the flash evaporator on an industrial scale in combination with the high rate of recycling by the system have not yet been studied. The vacuum evaporator can probably decrease the concentrations of volatile inhibitors like furfural and acetic acid, while other inhibitors like vanilla and 4-hydroxybenzaldehyde can accumulate if the cell mass is not high enough for their effective conversion. Also, the high stress of the yeast, generated by the high rate of yeast recycling can negatively influence its viability in an industrial scale system, although this effect has not been observed in the bench scale. However, it is possible that the low concentration of ethanol is of greater importance to maintain high viability. In this context, it is important to remember that the stress factor due to the presence of the product and inhibitors in the hydrolytic broth can be added to the stress that occurs in the cell membrane through the cell recycling system. For example, phenolic inhibitors precisely disturb the integrity of the cell membrane and other inhibitors cause ATP diversion for intracellular repairs, to the detriment of maintaining

7/91 integridade da membrana celular.7/91 integrity of the cell membrane.

A fermentação extrativa liquido-liquido envolve a utilização de um solvente biocompativel durante a fermentação alcoólica para remover o produto da fermentação pelo solvente e, sobretudo, diferente de tecnologias semelhantes propostos anteriormente por outros autores, os inibidores no meio provenientes do processo de extração de carboidratos da matéria-prima e/ou de caldo hidrolitico, além de extração de calor deste meio de fermentação.Liquid-liquid extractive fermentation involves the use of a biocompatible solvent during alcoholic fermentation to remove the product from solvent fermentation and, above all, different from similar technologies previously proposed by other authors, the inhibitors in the medium from the carbohydrate extraction process the raw material and / or hydrolytic broth, in addition to extracting heat from this fermentation medium.

Há alguns exemplos no estado da técnica onde o solvente empregado não é biocompativel, necessitando a separação da levedura do meio ou vinho antes da extração ou utilização de uma membrana para evitar contato direto entre o fermento e o solvente, como por exemplo, decanol (Minier M., Goma G., 1998, Eckert e Schügerl, 1987, Kapucu e colaboradores, 1999), isso-octano, octano, gasolina, querosene e diesel (Rahman e colaboradores, 2007), fluidos supercriticos, como gases comprimidos CO2, etano e propano (Bothun e colaboradores, 2003) para remoção de etanol, ou éter etilico ou acetato de etila (Cruz e colaboradores, 1999). Nestes casos é impossível também a aplicação do solvente como agente de refrigeração in-situ.There are some examples in the state of the art where the solvent used is not biocompatible, requiring the separation of the yeast from the medium or wine before extraction or use of a membrane to avoid direct contact between the yeast and the solvent, such as decanol (Minier M., Goma G., 1998, Eckert and Schügerl, 1987, Kapucu and collaborators, 1999), that-octane, octane, gasoline, kerosene and diesel (Rahman and collaborators, 2007), supercritical fluids such as compressed gases CO2, ethane and propane (Bothun et al., 2003) to remove ethanol, or ethyl ether or ethyl acetate (Cruz et al., 1999). In these cases, it is also impossible to apply the solvent as an in-situ cooling agent.

Por outro lado, existem ainda exemplos de utilização de um solvente biocompativel. Kollerup e Daugulis, noOn the other hand, there are still examples of the use of a biocompatible solvent. Kollerup and Daugulis, in

8/91 trabalho intitulado Ethanol production by extractive fermentation - solvent identification and prototype development publicado no The Canadian Journal of Chemical Engineering, 64, 598 - 606 em 1986, fizeram uma avaliação teórica de 1361 possíveis solventes para extração de etanol através de propriedades como coeficientes de partição, biocompatibilidade, disponibilidade e custo. Para a biocompatibilidade foi observado que solventes com uma cadeia de carbono com número de átomos de carbonos menor do que 12 têm efeitos tóxicos ou inibidores no crescimento da levedura (Minier e Goma, 1982). Exemplos destes e outros solventes descritos no estado da técnica são uso de óleo oléico (Daugulis e colaboradores, 1987, Roffler e colaboradores, 1987, Weilnhammer e Blass, 1994), dodecanol (Gyamerah e Glover, 1996, Minier e Coma, 1981) e ácido oléico para remoção de etanol (Jassal e colaboradores, 1994) ou para produção simultânea de biodiesel (Oliveira e colaboradores, 1998, Csányi e colaboradores, 2004) , ácido ricinoleico ou outros ácidos graxos (Waibel e colaboradores, 2010, Boudreau e Hill, 2006).8/91 work entitled Ethanol production by extractive fermentation - solvent identification and prototype development published in The Canadian Journal of Chemical Engineering, 64, 598 - 606 in 1986, made a theoretical assessment of 1361 possible solvents for ethanol extraction through properties as coefficients partition, biocompatibility, availability and cost. For biocompatibility, it was observed that solvents with a carbon chain with a number of carbon atoms less than 12 have toxic or inhibitory effects on yeast growth (Minier and Goma, 1982). Examples of these and other solvents described in the prior art are the use of oleic oil (Daugulis et al., 1987, Roffler and et al., 1987, Weilnhammer and Blass, 1994), dodecanol (Gyamerah and Glover, 1996, Minier and Coma, 1981) and oleic acid for ethanol removal (Jassal and collaborators, 1994) or for simultaneous production of biodiesel (Oliveira and collaborators, 1998, Csányi and collaborators, 2004), ricinoleic acid or other fatty acids (Waibel and collaborators, 2010, Boudreau and Hill, 2006).

O uso de biodiesel, ésteres metílicos de ácidos graxos de óleos vegetais, para remoção de etanol, butanol ou acetona também foram avaliados e descritos no estado da técnica (Waibel colaboradores, 2010, Grobben colaboradores,The use of biodiesel, methyl esters of fatty acids from vegetable oils, to remove ethanol, butanol or acetone were also evaluated and described in the state of the art (Waibel collaborators, 2010, Grobben collaborators,

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1993, Ishizaki colaboradores, 1999), mas não para remoção de inibidores provenientes do processo de extração dos carboidratos da matéria-prima, inibidores provenientes do caldo hidrolitico e muito menos a utilização do solvente para agente refrigerante do meio de fermentação. Utilizando álcool oléico em um processo de sacarificação e fermentação extrativa com celulase, Moritz e Duff (1996) chegaram perto de realizar a extração simultânea de produto e inibidores do caldo hidrolitico, mas sua literatura não mostra esta compreensão.1993, Ishizaki collaborators, 1999), but not for removing inhibitors from the process of extracting carbohydrates from the raw material, inhibitors from the hydrolytic broth and much less the use of the solvent for the refrigerant in the fermentation medium. Using oleic alcohol in a process of saccharification and extractive fermentation with cellulase, Moritz and Duff (1996) came close to performing the simultaneous extraction of product and inhibitors of the hydrolytic broth, but their literature does not show this understanding.

Outros estudos mostram resultados positivos utilizando polímeros para extração de etanol (Seiler e colaboradores, 2003, Offeman e colaboradores, 2008) e, para extração de compostos fenólicos do caldo hidrolitico, polímeros cuja separação do meio é induzida por um aumento da temperatura (Hasmann e colaboradores, 2008). A utilização de variações de polietilenoglicol foi revisado por Banik e colaboradores (2003). A remoção de etanol por adsorventes, em combinação de levedura imobilizada foi estudada por Cartón e colaboradores (1998) .Other studies show positive results using polymers for ethanol extraction (Seiler and collaborators, 2003, Offeman and collaborators, 2008) and, for extraction of phenolic compounds from the hydrolytic broth, polymers whose separation of the medium is induced by an increase in temperature (Hasmann and employees, 2008). The use of variations in polyethylene glycol was reviewed by Banik et al. (2003). The removal of ethanol by adsorbents, in combination with immobilized yeast, was studied by Cartón and collaborators (1998).

Somente para a remoção in-situ de etanol (sem remoção de demais inibidores ou refrigeração do meio), com solvente biocompatível, o processo foi testado na escala de bancada e modelado, mostrando retornos de custos de investimentoOnly for in-situ ethanol removal (without removing other inhibitors or cooling the medium), with biocompatible solvent, the process was tested on the bench scale and modeled, showing returns on investment costs

10/91 para usinas existentes e novos usinas (Daugulis e colaboradores, 1991, 1994). 0 processo propiciou a utilização de elevadas concentrações de açúcar, menor inibição de etanol durante a fermentação e menor requisito de energia.10/91 for existing plants and new plants (Daugulis et al., 1991, 1994). The process led to the use of high concentrations of sugar, less inhibition of ethanol during fermentation and less energy requirement.

A patente norte-americana US 4,865,973, depositada em 13 de agosto de 1986 em nome de UNIV KINGSTON e intitulada: Process for extractive fermentation descreve um processo para a produção de etanol por fermentação acoplado a uma unidade de extração do produto formado, citando o ácido ricinoléico e outros ácidos graxos como opções de solvente. É descrito também que a extração é in situ e listadas como vantagens: diminuição dos custos devido ao tamanho do fermentador, redução dos custos de recuperação do produto devido a maiores concentrações finais e redução do prétratamento e custo de tratamento de resíduos, devido ao menor fluxo aquoso. Além disso, o agente extratante pode ser recirculado. A fermentação descrita no referido documento ocorre de 20 a 80°C.US patent 4,865,973, filed on August 13, 1986 in the name of UNIV KINGSTON and entitled: Process for extractive fermentation describes a process for the production of ethanol by fermentation coupled to an extraction unit of the product formed, citing acid ricinoleic and other fatty acids as solvent options. It is also described that the extraction is in situ and listed as advantages: reduced costs due to the size of the fermenter, reduced costs of product recovery due to higher final concentrations and reduced pretreatment and cost of waste treatment, due to the lower flow aqueous. In addition, the extracting agent can be recirculated. The fermentation described in that document takes place at 20 to 80 ° C.

Empregar um solvente com características iguais ou semelhantes ao biodiesel pode ter um efeito semelhante para a remoção de inibidores desde que todas as demais condições do processo também sejam iguais. Porém, a extração dos inibidores não é apenas um efeito colateral, mas umaUsing a solvent with the same or similar characteristics to biodiesel can have a similar effect for the removal of inhibitors since all other conditions of the process are also the same. However, the extraction of inhibitors is not just a side effect, but a

11/91 tecnologia de pré-tratamento em si, reconhecendo o fato que a remoção deve ser tal que a concentração final dos inibidores no meio de fermentação deve ser igual ou menor à concentração máxima que ainda permite um desempenho satisfatório do micro-organismo. Sabendo que os inibidores mostram efeitos de inibição sinérgicos, agravado por certas faixas de pH e temperatura, o nível da remoção desejável de inibidores se torna um complexo cálculo, envolvendo coeficientes de partição de cada inibidor e a dependência destes coeficientes ao temperatura, pH, concentração de etanol e sais no sistema bifásico. Por isto, o nível de remoção colateral de inibidores empregando o solvente no primeiro lugar apenas para remoção do produto como sugerido pelos outros autores do estado da técnica, dificilmente é satisfatório no uso de caldo hidrolítico como matériaprima, ainda mais porque a concentração natural dos inibidores dependa muito de modo de preparo desta matériaprima, seja por hidrólise ácida ou hidrólise enzimática. O último também vale para inibidores em mostos obtidos por extração de carboidratos da matéria-prima, como cana-deaçúcar ou beterraba, cujas concentrações dependem principalmente da temperatura empregada neste processo de extração.11/91 pre-treatment technology itself, recognizing the fact that the removal must be such that the final concentration of the inhibitors in the fermentation medium must be equal to or less than the maximum concentration that still allows satisfactory performance of the microorganism. Knowing that inhibitors show synergistic inhibition effects, aggravated by certain pH and temperature ranges, the level of desirable inhibitor removal becomes a complex calculation, involving partition coefficients for each inhibitor and the dependence of these coefficients on temperature, pH, concentration of ethanol and salts in the biphasic system. For this reason, the level of collateral removal of inhibitors using the solvent in the first place only to remove the product as suggested by the other authors of the prior art, is hardly satisfactory in the use of hydrolytic broth as raw material, even more so because the natural concentration of inhibitors depends a lot on how to prepare this raw material, either by acid hydrolysis or enzymatic hydrolysis. The latter also applies to inhibitors in musts obtained by extracting carbohydrates from the raw material, such as sugar cane or beet, whose concentrations depend mainly on the temperature used in this extraction process.

Nestes casos, será necessário empregar uma etapa deIn these cases, it will be necessary to employ a

12/91 pré-tratamento do mosto em um estágio anterior da fermentação, enquanto que a tecnologia proposta pela presente invenção pretende, justamente, entre outros, tornar tal etapa obsoleta.12/91 pre-treatment of the must in an earlier stage of fermentation, while the technology proposed by the present invention intends, precisely, among others, to make such stage obsolete.

Contudo, a remoção simultânea e satisfatória de inibidores empregando um solvente para remoção in situ de produto da fermentação, não é óbvia e não foi descrito e muito menos sugerido no estado da técnica. A remoção dos inibidores pode acontecer, mas a remoção suficiente para um bom desempenho do processo fermentativo depende, entre outros, da taxa de vazão do solvente, temperatura, pH, concentração de compostos polares, como também o produto da fermentação, concentrações de outros componentes como sais, que podem promover ou limitar a remoção dos inibidores além de contribuir à inibição total, mesmo que a remoção do produto seja satisfatória para os processos de extração liquido-liquido do produto como sugerido no estado da técnica.However, the simultaneous and satisfactory removal of inhibitors employing a solvent for in situ removal of fermentation product is not obvious and has not been described and much less suggested in the prior art. The removal of inhibitors can happen, but the removal sufficient for a good performance of the fermentation process depends, among others, on the flow rate of the solvent, temperature, pH, concentration of polar compounds, as well as the fermentation product, concentrations of other components as salts, which can promote or limit the removal of inhibitors in addition to contributing to total inhibition, even if the removal of the product is satisfactory for the liquid-liquid extraction processes of the product as suggested in the prior art.

Observa-se que a utilização do solvente como agente de refrigeração do meio, não é descrito por outros autores. O resfriamento convencional, por reciclo externo do meio da fermentação através de trocadores de calor ou serpentinas de resfriamento na dorna, é desvantajoso por formação de incrustações a partir do próprio meio, entre ouros. EstasIt is observed that the use of the solvent as a cooling agent for the medium is not described by other authors. Conventional cooling, by external recycling of the fermentation medium through heat exchangers or cooling coils in the vat, is disadvantageous due to the formation of incrustations from the medium itself, between diamonds. These

13/91 incrustações dificultam o transporte de calor, aumentam o risco de contaminação, promovem formação de biofilmes e complicam a troca de calor pela baixa condução térmica e a limitação dos gradientes de temperatura disponíveis. Outras desvantagens de tais equipamentos de refrigeração são choque térmico para a levedura; estresse físico para levedura causado pelo fluxo alto do meio na tubulação e a ainda a necessidade de equipamento de resfriamento externo.13/91 fouling makes heat transport difficult, increases the risk of contamination, promotes biofilm formation and complicates heat exchange due to low thermal conduction and limiting available temperature gradients. Other disadvantages of such refrigeration equipment are thermal shock to the yeast; physical stress for yeast caused by the high flow of the medium in the pipeline and the need for external cooling equipment.

Para que um agente possa funcionar como agente de refrigeração, a entalpia específica do solvente no momento de introdução do mesmo no meio da fermentação, a taxa de vazão do solvente, e a integral da capacidade de calor do solvente sobre a faixa de temperatura entre a temperatura do solvente e a temperatura final do meio, são fatores determinantes na capacidade de resfriamento pelo solvente. De fato, o solvente só funciona como agente de refrigeração quando o mesmo é introduzido com temperatura abaixa da temperatura do meio de fermentação.In order for an agent to function as a cooling agent, the specific enthalpy of the solvent at the moment of its introduction in the middle of fermentation, the flow rate of the solvent, and the integral of the heat capacity of the solvent over the temperature range between the solvent temperature and the final temperature of the medium, are determining factors in the cooling capacity of the solvent. In fact, the solvent only works as a cooling agent when it is introduced at a temperature below the temperature of the fermentation medium.

O que é revelado na presente invenção é a refrigeração completa do meio pelo solvente, tornando obsoleto um sistema secundário de refrigeração convencional. Para este objetivo, a temperatura e taxa de vazão do solvente precisam ser calculados com precisão, prevendo a geração de calor por atividade metabólica e agitação do meio. Afinal,What is disclosed in the present invention is the complete refrigeration of the medium by the solvent, making a conventional secondary refrigeration system obsolete. For this purpose, the temperature and flow rate of the solvent need to be accurately calculated, predicting the generation of heat by metabolic activity and agitation of the medium. After all,

14/91 a temperatura do meio não pode ser muito baixa, nem muito alta, para garantir um bom desempenho da fermentação. Esta requisição torna o usufruto do solvente como agente de refrigeração, permitindo resfriamento por contato direto, dispensando superfícies de troca térmica. Sendo assim, o uso do solvente para fins de refrigeração do meio não foi previsto, descrito ou muito menos sugerido em nenhum documento do estado da técnica.14/91 the temperature of the medium cannot be too low or too high to guarantee a good fermentation performance. This requirement makes use of the solvent as a cooling agent, allowing cooling by direct contact, eliminating heat exchange surfaces. Therefore, the use of the solvent for the purpose of cooling the medium was not foreseen, described or much less suggested in any state of the art document.

O pedido de patente internacional WO 2009/042950, depositado em 26 de setembro de 2008, em nome de LS9 INC e outros e intitulado: Reduction of the toxic effect of impurities from raw materials by extractive fermentation descreve a produção de etanol e butanol por fermentação seguida da extração in situ e o agente também é reciclado. Contudo, no referido documento o solvente utilizado não é definido.The international patent application WO 2009/042950, filed on September 26, 2008, in the name of LS9 INC and others and entitled: Reduction of the toxic effect of impurities from raw materials by extractive fermentation describes the production of ethanol and butanol by fermentation followed by in situ extraction and the agent is also recycled. However, in that document the solvent used is not defined.

O pedido de patente internacional WO 2010/100642, depositado em 02 de março de 2010 em nome de EYAL RES CONSULTANTS LTD e EYAL AHARON e intitulado: Fermentation processes descreve um método de produção de pelo menos um produto de fermentação e um derivado do mesmo, compreendendo entre as etapas, a de fornecer uma solução aquosa fermentável compreendendo um composto fermentável. No referido documento ocorre remoção de inibidores comThe international patent application WO 2010/100642, filed on March 2, 2010 in the name of EYAL RES CONSULTANTS LTD and EYAL AHARON and entitled: Fermentation processes describes a method of producing at least one fermentation product and a derivative thereof, comprising among the steps, that of providing a fermentable aqueous solution comprising a fermentable compound. In that document, there is removal of inhibitors with

15/91 octanol adsorção e sugestões de tratamento com carvão ativo tratamento com calor, base, trocador de ions e separação utilizando membrana.15/91 octanol adsorption and treatment suggestions with active carbon treatment with heat, base, ion exchanger and separation using membrane.

Uma desvantagem do referido documento está na remoção de inibidores fora da dorna, a qual necessita o impedimento da geração de inibidores no processo de extração de carboidratos da matéria-prima usando temperaturas baixas e/ou uma etapa de prétratamento do mosto a base de ligno-celulose, que requer maior investimento em equipamento e menor eficiência do processo em geral.A disadvantage of the aforementioned document is the removal of inhibitors outside the vat, which requires the inhibition of the generation of inhibitors in the process of extracting carbohydrates from the raw material using low temperatures and / or a step of pretreatment of the must based on ligno- cellulose, which requires greater investment in equipment and less efficiency of the process in general.

O artigo de Grobben N. e colaboradores, intituladoThe article by Grobben N. et al., Entitled

Production of acetone, butanol and ethanol (ABE) from potato wastes: fermentation with integrated membrane extraction publicado no Applied Microbal Biotechnology 39Production of acetone, butanol and ethanol (ABE) from potato wastes: fermentation with integrated membrane extraction published in Applied Microbal Biotechnology 39

494-498, em 1993 descreve a produção de butanol, acetona e etanol (ABE) a fermentação com artigo menciona solvente menciona partir de resíduos de batata através de extração de somente a extratante. Além e nem sugere o uso artigo de intitulado Improved acids publicado na membrana integrada. O referido aplicação de biodiesel como disso in-situ494-498, in 1993 describes the production of butanol, acetone and ethanol (ABE) fermentation with article mentions solvent mentions starting from potato residues by extracting only the extractant. In addition and does not even suggest the use of an article entitled Improved acids published in the integrated membrane. The said application of biodiesel as an in-situ addition

Boudreau T.Boudreau T.

ethanol-water o referido artigo não do solvente.ethanol-water said article not from the solvent.

M.M.

e colaboradores separation using fattyand collaborators separation using fatty

Process Biochemistry 41Process Biochemistry 41

980-983 em980-983 in

2006, descreve uma separação aperfeiçoada de etanol-agua2006, describes an improved ethanol-water separation

16/91 usando ácidos graxos. O artigo descreve a extração de somente o produto e sem a utilização do solvente como agente de refrigeração.16/91 using fatty acids. The article describes the extraction of only the product and without using the solvent as a cooling agent.

Neste caso, será necessário empregar uma etapa de prétratamento do caldo em um estágio anterior da fermentação para fermentação de mosto a base de caldo hidrolitico, enquanto que a tecnologia proposta pela presente invenção pretende, entre outros, justamente tornar tal etapa obsoleta.In this case, it will be necessary to employ a step of pretreatment of the broth in a previous stage of fermentation for fermentation of wort based on hydrolytic broth, while the technology proposed by the present invention intends, among others, precisely to make such step obsolete.

Como pode ser observado, nenhum documento do estado da técnica descreve ou muito menos sugere abordagens de combinar o pré-tratamento do mosto com a remoção de produto inibidor do meio de fermentação por extração liquidoliquido. Portanto, esta lacuna é a matéria principal da presente invenção. Além disso, não há exemplos no estado da técnica de refrigeração do meio de fermentação pelo solvente, muito menos em combinação com extração simultânea de produto e/ou inibidores. A extração liquido-liquido pode tornar a fermentação um processo mais eficiente, causando menos estresse à levedura e resultando em menor custo energético.As can be seen, no document of the state of the art describes or much less suggests approaches to combining the pretreatment of the wort with the removal of inhibitory product from the fermentation medium by liquid-liquid extraction. Therefore, this gap is the main subject of the present invention. Furthermore, there are no examples in the state of the art of refrigeration of the fermentation medium by the solvent, much less in combination with simultaneous product extraction and / or inhibitors. Liquid-liquid extraction can make fermentation a more efficient process, causing less stress to the yeast and resulting in lower energy costs.

Sumário da InvençãoSummary of the Invention

Para solucionar os problemas acima mencionados, a presente invenção, baseada em fermentação extrativa,To solve the problems mentioned above, the present invention, based on extractive fermentation,

17/91 propiciará vantagens significativas em relação aos processos fermentativos convencionais, possibilitando um aumento do seu desempenho e apresentando uma relação custo/beneficio mais favorável.17/91 will provide significant advantages in relation to conventional fermentation processes, enabling an increase in its performance and presenting a more favorable cost / benefit ratio.

A presente invenção se fermentative extrativo para processos amilácea fortemente refere mostos hidroliticos de matéria-prima carboidratos esgotados com entre outros, biotina, carboidratos com a um processo provenientes de ligno-celulósica, diretamente extraiveis, melaços alto conteúdo de inibidores como ou mostos similares objetivos de em fermentação.The present invention if extractive fermentative for amylaceous processes strongly refers to hydrolytic musts of raw material depleted carbohydrates with, among others, biotin, carbohydrates with a process derived from ligno-cellulosic, directly extractable, molasses high content of inhibitors as or similar musts for the purpose of in fermentation.

Especificamente, a presente invenção se refere ao uso de um solvente biocompativel, tais como biodiesel de óleo de soja, de milho, de mamona de palmeira-de-óleo-africana (dendezeiro), de macaúba entre outros, como agente extrator para a extração in-situ e simultânea de produto e/ou componentes inibidores da fermentação, especificamente o produto da fermentação e compostos inibidores presentes no mosto, e/ou como agente refrigerante do meio da fermentação, sendo o último em combinação ou não com as finalidades de extração de produto e/ou inibidores.Specifically, the present invention refers to the use of a biocompatible solvent, such as biodiesel from soybean oil, corn, African oil palm (oil palm), macaúba among others, as an extraction agent for the extraction in-situ and simultaneous fermentation inhibiting product and / or components, specifically the fermentation product and inhibiting compounds present in the wort, and / or as a cooling agent in the fermentation medium, the latter in combination or not for the purposes of extraction product and / or inhibitors.

A produtividade da fermentação em termos de produtos como etanol, butanol, propanodiol, 2-3 butanodiol, acetona, enzima, aminoácidos, como o ácido glutâmico, lisina eFermentation productivity in terms of products such as ethanol, butanol, propanediol, 2-3 butanediol, acetone, enzyme, amino acids, such as glutamic acid, lysine and

18/91 glutamato monossódico, ácidos orgânicos como ácido acético, ácido propiônico, ácido láctico, ácido succinico, ácido butanóico, matéria-prima para bioplásticos e outros produtos, é limitada pela concentração do próprio produto, ou seja, existe um efeito de inibição pelo produto. Além disto, fermentação de biomassa de ligno-celulose ou outro tipo de biomassa, é limitada pela inibição química do processo devido a inibidores presentes nesta matéria-prima. Estes inibidores, sendo os principais furfural, HMF, compostos fenólicos e ácidos carboxílicos, inibem a fermentação em termos de crescimento microbiano e taxa de produção. Mesmo efeito ocorre causado por inibidores presentes em outros tipos de mosto como mostos preparados com açúcares diretamente extraíveis da matéria-prima, como cana-de-açúcar ou beterraba, quando a temperatura do processo de extração dos carboidratos desta matéria-prima é mais elevada, muitas vezes resultando em maiores rendimentos de extração.18/91 monosodium glutamate, organic acids such as acetic acid, propionic acid, lactic acid, succinic acid, butanoic acid, raw material for bioplastics and other products, is limited by the concentration of the product itself, that is, there is an inhibition effect by product. In addition, fermentation of ligno-cellulose biomass or another type of biomass is limited by the chemical inhibition of the process due to inhibitors present in this raw material. These inhibitors, being the main furfural, HMF, phenolic compounds and carboxylic acids, inhibit fermentation in terms of microbial growth and production rate. The same effect occurs caused by inhibitors present in other types of must such as musts prepared with sugars directly extractable from the raw material, such as sugar cane or beet, when the temperature of the process of extracting carbohydrates from this raw material is higher, often resulting in higher extraction yields.

O mosto final pode também conter componentes orgânicos como, por exemplo, a biotina, que inibem fermentações mais específicas como a biosíntese de aminoácidos, como o ácido glutâmico, lisina e glutamato monossódico.The final wort can also contain organic components, such as biotin, which inhibit more specific fermentations such as amino acid biosynthesis, such as glutamic acid, lysine and monosodium glutamate.

A presente invenção possibilita a remoção de todos estes compostos do meio de fermentação, acelerando oThe present invention allows the removal of all these compounds from the fermentation medium, accelerating the

19/91 processo. Assim, a tecnologia proposta pela presente invenção efetivamente viabilizará a produção de biocombustiveis a partir de biomassa, ou seja, combustíveis de segunda geração, assim como outros produtos a partir de biomassa hidrolisada, possibilita o uso de maiores temperaturas nos processos de extração de carboidratos de matérias primas como cana-de-açúcar e beterraba, resultando em maiores rendimentos deste processo, e possibilitará e promoverá o uso de mostos em qeral que contêm compostos com efeitos inibidores extraiveis pelo solvente.19/91 process. Thus, the technology proposed by the present invention will effectively enable the production of biofuels from biomass, that is, second generation fuels, as well as other products from hydrolyzed biomass, allows the use of higher temperatures in the extraction processes of carbohydrates. raw materials such as sugar cane and beet, resulting in higher yields from this process, and will enable and promote the use of musts in general that contain compounds with solvent-extractable inhibitory effects.

Na presente invenção, a etapa de pré-tratamento do mosto e a da remoção do produto são integradas. Desta forma, a remoção ϊη-situ de produto e demais inibidores do meio de fermentação com solvente biocompativel, sem ou com utilização do solvente como agente refrigerante, de fato elimina a necessidade de uma unidade extra de tratamento do meio e pode aumentar o retorno sobre o investimento total do processo de produção, tanto por aumento da produtividade e do rendimento, quanto por diminuição de custos energéticos e de água utilizada no processo integral.In the present invention, the wort pretreatment step and the product removal step are integrated. In this way, the ϊη-situ removal of product and other inhibitors from the fermentation medium with biocompatible solvent, without or with the use of the solvent as a refrigerant, in fact eliminates the need for an extra medium treatment unit and can increase the return on the total investment of the production process, both by increasing productivity and yield, and by decreasing energy costs and water used in the entire process.

O próprio solvente pode também ser utilizado para o resfriamento do processo fermentativo. A fermentação é um processo exotérmico, ou seja, calor está sendo gerado durante a conversão do substrato. Este calor pode serThe solvent itself can also be used to cool the fermentation process. Fermentation is an exothermic process, that is, heat is being generated during the conversion of the substrate. This heat can be

20/91 efetivamente retirado do meio de fermentação utilizando o próprio solvente em sistema contínuo, sendo que o solvente pode ser introduzido na dorna com baixa energia interna após resfriamento prévio e eventual estocagem do mesmo. Desta forma, a temperatura da fermentação pode ser mantida em torno da ótima, devido a grande superfície de troca de calor, resultado da propriedade de liquidez do solvente e rapidez de se misturar com o meio, resultando em menores gradientes de temperatura na dorna e, consequentemente, elevando a eficiência em geral, tanto em termos de custos energéticos, como em termos de custos de equipamento de refrigeração e manutenção.20/91 effectively removed from the fermentation medium using the solvent itself in a continuous system, and the solvent can be introduced into the vat with low internal energy after previous cooling and eventual storage. In this way, the fermentation temperature can be maintained around the optimum, due to the large heat exchange surface, resulting from the liquidity property of the solvent and the speed of mixing with the medium, resulting in lower temperature gradients in the vat and, consequently, increasing efficiency in general, both in terms of energy costs and in terms of cooling and maintenance equipment costs.

Breve Descrição das FigurasBrief Description of the Figures

A estrutura e operação da presente invenção, juntamente com vantagens adicionais da mesma podem ser mais bem entendidas mediante referência aos desenhos em anexo e a seguinte descrição:The structure and operation of the present invention, together with its additional advantages, can be better understood by reference to the attached drawings and the following description:

A Figura 1 mostra o processo da presente invenção de forma simplificada, onde (A) é a entrada de mosto (substrato); (B) é uma opcional entrada do micro-organismo reciclado; (C) é a entrada de solvente; (D) é a saída de solvente e produto; (E) é a saída de vinho com fermento; (F) é a saída de mistura de produto e água; (G) é a saída de vinho clarificado; (H) é a saída do produto purificado eFigure 1 shows the process of the present invention in a simplified form, where (A) is the wort input (substrate); (B) is an optional entry for the recycled microorganism; (C) is the solvent input; (D) is the solvent and product output; (E) is the departure of wine with yeast; (F) is the product and water mixture output; (G) is the output of clarified wine; (H) is the output of the purified product and

21/91 (I) é a saída de resíduos e sub-produtos.21/91 (I) is the output of waste and by-products.

A Figura 2 mostra o diagrama de blocos de um processo com a tecnologia proposta pela presente invenção.Figure 2 shows the block diagram of a process with the technology proposed by the present invention.

A Figura 3 mostra a biocompatibilidade do biodiesel (4A) e óleo de mamona (4B) e produção de dióxido de carbono durante a fermentação sem fase orgânica (linha pontilhada), com biodiesel (circulo preto) e com óleo de mamona (triângulo branco).Figure 3 shows the biocompatibility of biodiesel (4A) and castor oil (4B) and carbon dioxide production during fermentation without an organic phase (dotted line), with biodiesel (black circle) and with castor oil (white triangle) .

A Figura 4 mostra um desenho esquemático explicando como o solvente tem a capacidade de absorção de certa quantidade de água, ocorre concentração de açúcar durante a extração, levando a fermentação a um rendimento maiorFigure 4 shows a schematic drawing explaining how the solvent has the capacity to absorb a certain amount of water, sugar concentration occurs during the extraction, leading to fermentation at a higher yield.

A Figura 5 mostra um gráfico de barras com a absorção de água e etanol em oléo de mamona e biodiesel para várias concentrações de etanol na fase aquosa.Figure 5 shows a bar graph with the absorption of water and ethanol in castor oil and biodiesel for various concentrations of ethanol in the aqueous phase.

As Figuras 6, 7 e 8 mostram os resultados para aFigures 6, 7 and 8 show the results for the

fermentação fermentation A, THE, B e C, onde B and C, where (A) (THE) é a and the fermentação fermentation sem without inibidores, inhibitors, sem without solvente; solvent; (B) (B) é a and the fermentação fermentation com with inibidores, inhibitors, sem without solvente; e solvent; and (C) (Ç) é a and the fermentação fermentation com with

inibidores, com solvente.inhibitors, with solvent.

As Figuras 9 e 10 mostram os perfis de concentração de furfural, furfuril-álcool, baunilha e álcool baunilico durante a fermentação sem solvente e com solvente, respectivamente.Figures 9 and 10 show the concentration profiles of furfural, furfuryl-alcohol, vanilla and vanilla alcohol during fermentation without solvent and with solvent, respectively.

22/9122/91

A Figura 11 mostra um gráfico de comparação de viscosidade entre óleo de mamona e biodiesel para várias temperaturas.Figure 11 shows a viscosity comparison chart between castor oil and biodiesel for various temperatures.

A Figura 12 mostra um fluxograma de uma planta de fermentação extrativa conforme a presente invenção.Figure 12 shows a flow chart of an extractive fermentation plant according to the present invention.

A Figura 13 mostra um fluxograma de uma planta de fermentação extrativa com uma dorna, conforme uma primeira modalidade da presente invenção.Figure 13 shows a flowchart of an extractive fermentation plant with a vat, according to a first embodiment of the present invention.

A Figura 14 mostra um fluxograma de uma planta de fermentação extrativa com três dornas, apenas a primeira dorna mantendo uma camada orgânica conforme uma segunda modalidade da presente invenção.Figure 14 shows a flowchart of an extractive fermentation plant with three vats, only the first vat keeping an organic layer in accordance with a second embodiment of the present invention.

A Figura 15 mostra um fluxograma de uma planta de fermentação extrativa para fermentação em regime de batelada ou batelada alimentada, com uma dorna conforme uma terceira modalidade da presente invenção.Figure 15 shows a flowchart of an extractive fermentation plant for fermentation in batch or fed batch mode, with a vat according to a third embodiment of the present invention.

A Figura 16 mostra um fluxograma de uma planta de fermentação extrativa para fermentação continua com resfriamento e remoção de inibidores em todas as dornas, conforme uma quarta modalidade da presente invenção.Figure 16 shows a flowchart of an extractive fermentation plant for continuous fermentation with cooling and removal of inhibitors in all vats, according to a fourth modality of the present invention.

A Figura 17 mostra uma modalidade da presente invenção de um processo esquemático com fluidos e unidades de processamento de um sistema de fermentação extrativa. Os estágios do processo na linha pontilhada foram modelados.Figure 17 shows an embodiment of the present invention of a schematic process with fluids and processing units from an extractive fermentation system. The process stages on the dotted line have been modeled.

23/9123/91

Descrição Detalhada da InvençãoDetailed Description of the Invention

Embora a presente invenção possa ser suscetível a diferentes modalidades, é mostrada nos desenhos e na seguinte discussão detalhada, uma modalidade preferida com o entendimento de que a presente modalidade deve ser considerada uma exemplificação dos princípios da invenção e não pretende limitar a presente invenção ao que foi ilustrado e descrito aqui.Although the present invention may be susceptible to different modalities, it is shown in the drawings and in the following detailed discussion, a preferred modality with the understanding that the present modality should be considered an example of the principles of the invention and is not intended to limit the present invention to what has been illustrated and described here.

A presente invenção se refere a um processo de fermentação extrativa. Mais especificamente, a presente invenção se refere a um processo de fermentação extrativa que emprega um único solvente capaz de remover produtos e inibidores simultaneamente, além de resfriar o meio. Além disso, a presente invenção se refere ao uso do processo.The present invention relates to an extractive fermentation process. More specifically, the present invention relates to an extractive fermentation process that employs a single solvent capable of removing products and inhibitors simultaneously, in addition to cooling the medium. In addition, the present invention relates to the use of the process.

A presente invenção revela um processo de fermentação extrativa com alta produtividade, que será capaz de tornar máxima e rápida a conversão de carboidratos fermentescíveis obtidos por extração ou hidrólise química em produtos.The present invention reveals an extractive fermentation process with high productivity, which will be able to make the conversion of fermentable carbohydrates obtained by extraction or chemical hydrolysis into products maximum and fast.

que ocorre é que alguns compostos contidos nos hidrolisados puros, sendo os principais furfural, HMF, compostos fenólicos e ácidos carboxílicos, inibem a fermentação em termos de crescimento e taxa de produção.What happens is that some compounds contained in pure hydrolysates, the main ones being furfural, HMF, phenolic compounds and carboxylic acids, inhibit fermentation in terms of growth and production rate.

A tecnologia proposta pela presente invenção possibilita a remoção in-situ destes componentes por meioThe technology proposed by the present invention allows the in-situ removal of these components by

24/91 de um agente extrator biocompativel. Este procedimento de eliminação do efeito inibidor destes componentes resultará em um incremento da produtividade do micro-organismo, viabilidade, eficiência da fermentação, e elevado estabilidade do processo, assim como favorecendo uma fermentação rápida e com alta taxa de conversão do substrato. No caso dos produtos extracelulares, além dos inibidores presentes no mosto o próprio produto da fermentação, que inibe o processo a partir de certa concentração, também será removido pelo solvente. Para produtos intracelulares, como por exemplo, lipideos, polihidroxialcanoatos e várias enzimas, a presente invenção aplica-se a remoção dos inibidores provenientes do mosto e/ou ao resfriamento do meio de fermentação.24/91 of a biocompatible extracting agent. This procedure to eliminate the inhibitory effect of these components will result in an increase in the productivity of the microorganism, viability, efficiency of the fermentation, and high stability of the process, as well as favoring a fast fermentation with a high rate of conversion of the substrate. In the case of extracellular products, in addition to the inhibitors present in the must, the fermentation product itself, which inhibits the process from a certain concentration, will also be removed by the solvent. For intracellular products, such as, for example, lipids, polyhydroxyalkanoates and various enzymes, the present invention applies to the removal of inhibitors from the wort and / or to the cooling of the fermentation medium.

Matérias-primas e insumosRaw materials and inputs

A matéria-prima preferencial vislumbrada para a aplicação da tecnologia envolve hidrolisados de material sólido ligno-celulósicos, amiláceos, como bagaço de canade-açúcar, hidrolisado de amido de milho ou mandioca. Podem também envolver o uso de carboidratos diretamente extraiveis, como carboidratos convencionalmente usadas na fermentação: melaço, caldo de cana, extrato de beterraba e melaços fortemente esgotados com alto conteúdo de inibidores, como biotina, além de mostos similares, ricosThe preferred raw material envisioned for the application of the technology involves hydrolysates of solid ligno-cellulosic material, starches, such as sugarcane bagasse, corn or cassava starch hydrolyzate. They may also involve the use of directly extractable carbohydrates, such as carbohydrates conventionally used in fermentation: molasses, cane juice, beet extract and molasses heavily depleted with a high content of inhibitors, such as biotin, in addition to similar, rich musts

25/91 em carboidratos e com objetivos de fermentação ou ainda qualquer combinação ou derivado dos mesmos, daqui em diante denominado como 'mosto'. Sendo carboidratos a denominação geral de substratos para fermentação glicose, frutose, xilose, arabinose, entre como sacarose outros .25/91 in carbohydrates and for fermentation purposes or any combination or derivative thereof, hereinafter referred to as 'must'. Carbohydrates being the general name for substrates for glucose, fructose, xylose, arabinose fermentation, among others, such as sucrose.

Para certas fermentações, a escolha da matéria-prima do mosto ou a concentração dos carboidratos no mosto é limitada pela presença de inibidores naturais como a biotina.For certain fermentations, the choice of the raw material for the wort or the concentration of carbohydrates in the wort is limited by the presence of natural inhibitors such as biotin.

Uma das principais vantagens da tecnologia proposta pela presente invenção é justamente a remoção de inibidores presentes no mosto, provenientes do caldo de extrato da matéria-prima, do licor hidrolisado ou de outra fonte como ácidos carboxilicos, como ácido acético, derivados de furano, como furfural e hidroxi-metil furfural, e compostos fenólicos, como a baunilha, álcool coniferilico, catechol entre outros. Compostos naturais no mosto que exibem propriedades inibidoras como biotina também podem ser removidos pela tecnologia proposta.One of the main advantages of the technology proposed by the present invention is precisely the removal of inhibitors present in the must, from the extract broth of the raw material, from the hydrolyzed liquor or from another source such as carboxylic acids, such as acetic acid, furan derivatives, such as furfural and hydroxymethyl furfural, and phenolic compounds, such as vanilla, coniferyl alcohol, catechol, among others. Natural compounds in the wort that exhibit inhibitory properties like biotin can also be removed by the proposed technology.

A presente invenção é baseada no uso de um agente extrator biocompativel aqui em diante denominado como solvente', durante a fermentação. O solvente utilizado como fase orgânica, especificamente parte da especificidade da presente invenção envolve um biodiesel selecionado doThe present invention is based on the use of a biocompatible extracting agent hereinafter referred to as solvent ', during fermentation. The solvent used as the organic phase, specifically part of the specificity of the present invention involves a biodiesel selected from the

26/91 grupo que compreende óleos vegetais tais como óleo de soja óleo de milho, óleo de mamona, biodiesel de dendezeiro e biodiesel de macaúba.26/91 group comprising vegetable oils such as soybean oil, corn oil, castor oil, palm oil biodiesel and macaúba biodiesel.

Outros líquidos biocompatíveis também como alcoóis com cadeia longa (álcool utilizados podem serOther biocompatible liquids also like long chain alcohols (alcohol used can be

5 5 oléico, fitol, isofitol, oleic, phytol, isofitol, álcool estearílico, stearyl alcohol, álcool alcohol cetíloco, cetyloco, octildodecanol), octyldodecanol), ácidos acids graxos fatty (ácido (acid ricinoléico ricinoleic , ácido oléico, , oleic acid, ácido acid linoléico, linoleic, ácido acid linolênico, linolenic, ácido láurico, lauric acid, ácido acid palmítico, palmitic, ácido acid palmitoléico, ácido esteárico) palmitoleic, stearic acid) , etanoatos (dodecil , etanoates (dodecyl acetato, acetate, 10 10 butil dodecanoato), ou outros butyl dodecanoate), or other substâncias de cade chain substances ia longa it was long como how dibutilsebacate, dibutylsebacate, di (2- di (2- -etilhexil)sebacato, -ethylhexyl) sebacate,

di (2dibutiladipato di (2-etilhexil)adipato etilhexil)ftalato, di(3,5,5-trimetilhexil)phthalato, glicerol tridecanoato,di (2dibutyladipate di (2-ethylhexyl) adipate ethylhexyl) phthalate, di (3,5,5-trimethylhexyl) phthalate, glycerol tridecanoate,

2-dodecanone dodecanal.2-dodecanone dodecanal.

Preferencialmente é empregado um éster metílico ou éster etílico de um ácido graxo, como o ácido ricinoléico.Preferably, a methyl ester or ethyl ester of a fatty acid, such as ricinoleic acid, is employed.

ácido ricinoléico (ácido cis-12-hidroxioctadeca-9enoico) é uma molécula de cadeia longa, tendo um grupo hidroxila na posição C-12.Ricinoleic acid (cis-12-hydroxyoctadeca-9enoic acid) is a long chain molecule, having a hydroxyl group at the C-12 position.

Este grupo hidroxila aumenta a polaridade da molécula favorecendo coeficientes de partição de inibidores e produtos de fermentação com características polares. A dupla ligação em posiçãoThis hydroxyl group increases the polarity of the molecule favoring partition coefficients of inhibitors and fermentation products with polar characteristics. The double connection in position

C-9 favorece menor viscosidade. A fonte do ácido graxo pode ser um produto agrícola como óleo de mamona que possui umaC-9 favors lower viscosity. The source of the fatty acid can be an agricultural product such as castor oil that has a

27/91 porcentagem de 85 a 90% de ésteres de ácido ricinoléico.27/91 85 to 90% percentage of ricinoleic acid esters.

O solvente tem um ponto de ebulição maior do que o produto e os inibidores voláteis, e seu tamanho é tal que limita a difusão e integração com a parede celular do micro-organismo, o que prejudicaria a viabilidade e o crescimento do mesmo.The solvent has a higher boiling point than the product and volatile inhibitors, and its size is such that it limits diffusion and integration with the microorganism's cell wall, which would impair its viability and growth.

Mais especificamente, o solvente tem as seguintes propriedades essenciais e favoráveis:More specifically, the solvent has the following essential and favorable properties:

• Coeficientes de partição favoráveis aos componentes a ser extraídos (inibidores e/ou produto);• Partition coefficients favorable to the components to be extracted (inhibitors and / or product);

• Seletividade alta para os componentes de interesse (produto e inibidores) em comparação com outros componentes (substrato e minerais);• High selectivity for the components of interest (product and inhibitors) compared to other components (substrate and minerals);

• Imiscível em água e com solubilidade desprezível na fase aquosa;• Immiscible in water and with negligible solubility in the aqueous phase;

• Capacidade de absorção de certa quantidade de água, elevada pela fração de etanol no solvente, que efetivamente concentra o substrato na fase aquosa diminuindo a perda do mesmo e assim aumentando o rendimento do produto;• Absorption capacity of a certain amount of water, elevated by the fraction of ethanol in the solvent, which effectively concentrates the substrate in the aqueous phase, reducing its loss and thus increasing the yield of the product;

• Baixa toxicidade(fato positivo para o elemento humano - operadores da empresa, para o ambiente e para o organismo empregado na fermentação (bio-compatibilidade);• Low toxicity (positive fact for the human element - company operators, for the environment and for the organism used in fermentation (bio-compatibility);

• Possibilidade de recuperação do produto do solvente e• Possibility of recovering the product from the solvent and

28/91 sua regeneração;28/91 its regeneration;

• Não formação de emulsões (estáveis) durante a fermentação e o processamento 'down-stream' em condições de baixa turbulência do meio;• No formation of (stable) emulsions during fermentation and down-stream processing under conditions of low turbulence of the medium;

• Separação rápida de fases orgânica e aquosa;• Rapid separation of organic and aqueous phases;

• Alta estabilidade química, independente de utilização de altas temperaturas na recuperação ou outros componentes como ácidos presentes no processo;• High chemical stability, regardless of the use of high temperatures in the recovery or other components such as acids present in the process;

• Baixo ponto de fusão e viscosidade na faixa de temperatura utilizada, e ponto de ebulição acima da faixa da temperatura utilizada;• Low melting point and viscosity in the used temperature range, and boiling point above the used temperature range;

• Baixo custo e possibilidade de produção do mesmo no local;• Low cost and possibility of producing it on site;

Possibilidade de ser utilizado como combustível, biodiesel, após vários ciclos de uso como solvente do processo.Possibility of being used as fuel, biodiesel, after several cycles of use as a process solvent.

O solvente pode ser injetado a baixas temperaturas, de forma a atuar no resfriamento do meio fermentado, para manter a temperatura desejada. O produto de fermentação é extraído pelo solvente, que é retirado do biorreator, sendo em seguida retificado com retirada de produto e contaminantes inibidores, e reciclado continuamente, livre de produtos e inibidores. O diagrama apresentado na FiguraThe solvent can be injected at low temperatures, in order to act in the cooling of the fermented medium, to maintain the desired temperature. The fermentation product is extracted by the solvent, which is removed from the bioreactor, and then rectified with removal of inhibitor products and contaminants, and continuously recycled, free of products and inhibitors. The diagram shown in Figure

29/91 ilustra o processo de forma simplificada.29/91 illustrates the process in a simplified way.

O processo da presente invenção propicia a utilização de elevadas concentrações de carboidratos, menor inibição pelos inibidores provenientes do mosto e pelo produto inibidor (etanol, butanol, acetona, propanodiol, 2-3 butanodiol, ácidos orgânicos, solventes, enzimas, aminoácidos, como o ácido glutâmico, lisina e glutamato monossódico, terpenos, matéria-prima para bioplásticos, entre outros) durante a fermentação e menor requisito de energia.The process of the present invention allows the use of high concentrations of carbohydrates, less inhibition by the inhibitors from the must and by the inhibitor product (ethanol, butanol, acetone, propanediol, 2-3 butanediol, organic acids, solvents, enzymes, amino acids, such as glutamic acid, lysine and monosodium glutamate, terpenes, raw material for bioplastics, among others) during fermentation and less energy requirement.

ProdutosProducts

A presente invenção revela um processo de fermentação extrativa com alta produtividade, que será capaz de tornar máxima e rápida a conversão de carboidratos fermentesciveis obtidos por extração ou hidrólise química em produtos como: butanol, acetona, propanodiol, 2-3 butanodiol, xilitol, ácidos orgânicos como ácido acético, ácido propiônico, ácido láctico, ácido succínico, ácido butanóico, ácido cítrico, enzimas, aminoácidos como o ácido glutâmico, lisina e glutamato monossódico, terpenos, matéria-prima para bioplásticos, lipídeos, polihidroxialcanoatos, o próprio fermento, ou outros produtos orgânicos ou qualquer combinação destes, aqui em diante denominado como 'produto' .The present invention reveals an extractive fermentation process with high productivity, which will be able to make the conversion of fermentable carbohydrates obtained by extraction or chemical hydrolysis into products such as: butanol, acetone, propanediol, 2-3 butanediol, xylitol, acids organics such as acetic acid, propionic acid, lactic acid, succinic acid, butanoic acid, citric acid, enzymes, amino acids such as glutamic acid, lysine and monosodium glutamate, terpenes, raw material for bioplastics, lipids, polyhydroxyalkanoates, the yeast itself, or other organic products or any combination thereof, hereinafter referred to as 'product'.

30/9130/91

O foco da presente invenção é etanol, mas as características dos sistemas bifásicos envolvendo a distribuição de um componente com polaridades menores do que a polaridade de etanol, que é o caso para, por exemplo, butanol, acetona e a maioria dos aminoácidos e outros produtos mencionados acima, inevitavelmente mostrarão um bom desempenho em termos de extração, melhor até do que o próprio etanol. Isto porque, comparando com o etanol, os coeficientes de partição de componentes com menor polaridade são maiores, e como a seletividade para estes componentes são maiores, então a extração para a fase orgânica será favorecida.The focus of the present invention is ethanol, but the characteristics of two-phase systems involving the distribution of a component with polarities less than the polarity of ethanol, which is the case for, for example, butanol, acetone and most amino acids and other products mentioned above, will inevitably show a good performance in terms of extraction, even better than ethanol itself. This is because, compared to ethanol, the partition coefficients of components with less polarity are higher, and as the selectivity for these components is higher, then the extraction for the organic phase will be favored.

Nota se que vários produtos mencionados podem ser produzidos como produtos intracelulares, produtos extracelulares, ou uma combinação disso, dependendo do(s) micro-organismo(s) empregado(s) e a sua capacidade de transporte do produto pela parede celular.Note that several products mentioned can be produced as intracellular products, extracellular products, or a combination thereof, depending on the microorganism (s) employed and their ability to transport the product through the cell wall.

Para produção de biomassa ou produtos intracelulares como, por exemplo, em muitos casos lipídeos, polihidroxialcanoatos, várias enzimas e aminoácidos, a presente invenção aplica-se apenas à remoção de inibidores provenientes do mosto e/ou ao resfriamento do meio de fermentação.For the production of biomass or intracellular products such as, for example, in many cases lipids, polyhydroxyalkanoates, various enzymes and amino acids, the present invention applies only to the removal of inhibitors from the wort and / or to the cooling of the fermentation medium.

O que ocorre é que alguns compostos contidos nosWhat happens is that some compounds contained in

31/91 hidrolisados puros, sendo os principais furfural, HMF compostos fenólicos e fermentação em termos de31/91 pure hydrolysates, the main ones being furfural, HMF phenolic compounds and fermentation in terms of

Efeitos similares de ácidos carboxílicos inibem a crescimento e taxa de produção.Similar effects of carboxylic acids inhibit growth and production rate.

inibição ocorrem para mostos preparados por extração de carboidratos da matéria-prima por exemplo, da cana-de-açúcar ou beterraba, processo em que altas temperaturas promovem extração, porém provocam a geraçãoinhibitions occur for musts prepared by extracting carbohydrates from the raw material, for example, sugar cane or beet, a process in which high temperatures promote extraction, but cause generation

EquipamentosEquipment

A fermentação extrativa pode contínua, batelada de forma contínua.Extractive fermentation can be continuous, batched continuously.

altos rendimentos de de tais inibidores.high yields of such inhibitors.

ser executada de forma ou batelada alimentada ebe run in a batch or fed way and

A dorna de fermentação a execução do processo para o solvente, com mesma possivelmente fermentative, deve preferência na integrada no defletores, contando com uma pressão superar o peso da coluna das fases conteúdo da dorna.The fermentation vat, the execution of the process for the solvent, with the same possibly fermentative, should prefer the integrated in the deflectors, counting on a pressure to overcome the weight of the column of the content phases of the vat.

aquosa volume volume da dorna deve ser maior e a fase orgânica destas fases pode entre 1:0.01 á 1:20.aqueous volume volume of the vat should be greater and the organic phase of these phases can be between 1: 0.01 to 1:20.

Demais equipamentos empregada recuperação do produto e com preferência necessária para ter uma entrada parte inferior da agitador ou nos bastante alta para aquosa e orgânica do do que a soma da fase sendo que a razão do ser ajustada para necessários para a reciclagem do qualquer razão a produção e solvente podemOther equipment used to recover the product and with preference necessary to have an entrance to the bottom of the agitator or rather high for aqueous and organic than the sum of the phase, the reason being adjusted to necessary for the recycling of any reason the production and solvent can

32/91 ser: misturador de meio, coluna de absorção, decantador, cascata de destiladores, destilador, retificador, centrífuga, válvula ou equipamento para sangramento de uma fração de células do fermento, equipamento para reativação celular de eventual fermento reciclado, trocadores de calor, e outros32/91 be: medium mixer, absorption column, decanter, distillate cascade, distiller, rectifier, centrifuge, valve or equipment for bleeding a fraction of yeast cells, equipment for cell reactivation of eventual recycled yeast, heat exchangers , and others

A Figura 2 representa o diagrama de blocos de um processo com a tecnologia proposta pela presente invenção. Processo biológicoFigure 2 represents the block diagram of a process with the technology proposed by the present invention. Biological process

O processo biológico para conversão de substrato para produto envolve uma fermentação empregando um microorganismo como, mas não limitado a, levedura, como Saccharomyces cerevisia ou bactéria, como Zymomonas mobilis, geneticamente modificado ou não, entre outros ou em quaisquer combinações destes, aqui em diante denominado como 'fermento'. O fermento consome fontes de carbono como sacarose, glicose, frutose e/ou xilose, arabinose ou quaisquer combinação destes, e converte-os em produtos tais como etanol, butanol, acetona, propanodiol, 2-3 butanodiol, xilitol, ácidos orgânicos como ácido acético, ácido propiônico, ácido láctico, ácido succínico, ácido butanóico, ácido cítrico, enzimas, aminoácidos como o ácido glutâmico, lisina e glutamato monossódico, terpenos, matéria-prima para bioplásticos, lipídeos,The biological process for converting substrate to product involves fermentation using a microorganism such as, but not limited to, yeast, such as Saccharomyces cerevisia or bacteria, such as Zymomonas mobilis, genetically modified or not, among others or in any combinations thereof, hereinafter called 'yeast'. Yeast consumes carbon sources such as sucrose, glucose, fructose and / or xylose, arabinose or any combination of these, and converts them into products such as ethanol, butanol, acetone, propanediol, 2-3 butanediol, xylitol, organic acids such as acid acetic, propionic acid, lactic acid, succinic acid, butanoic acid, citric acid, enzymes, amino acids such as glutamic acid, lysine and monosodium glutamate, terpenes, raw material for bioplastics, lipids,

33/91 polihidroxialcanoatos, o próprio fermento ou outros produtos orgânicos ou qualquer combinação destes. O processo pode ser executado em condições anaeróbicas ou empregando aeração, dependendo das necessidades microbiológicas do fermento empregado para produção do produto desejado. Eventuais inibidores presentes no meio de fermentação são removidos do meio pelo solvente, completamente ou parcialmente. Produtos extracelulares, muitas vezes um fator inibidor a partir de certas concentrações como no caso de etanol para Saccharomyces cerevisiae, também são parcialmente removidos do meio pelo solvente. Desta maneira, o desempenho do micro-organismo em termos de taxa de crescimento, viabilidade, produtividade volumétrica e específica e rendimento pode ser otimizado, assim como o uso de energia do processo total de produção incluindo a recuperação e purificação do produto e o reciclo do solvente.33/91 polyhydroxyalkanoates, yeast itself or other organic products or any combination thereof. The process can be carried out under anaerobic conditions or using aeration, depending on the microbiological needs of the yeast used to produce the desired product. Any inhibitors present in the fermentation medium are removed from the medium by the solvent, either completely or partially. Extracellular products, often an inhibitory factor from certain concentrations as in the case of ethanol for Saccharomyces cerevisiae, are also partially removed from the medium by the solvent. In this way, the microorganism's performance in terms of growth rate, viability, volumetric and specific productivity and yield can be optimized, as well as the energy use of the total production process including product recovery and purification and product recycling. solvent.

A fermentação é um processo exotérmico, ou seja, calor está sendo gerado durante a conversão do substrato. Este calor pode ser efetivamente retirado do meio de fermentação utilizando o próprio fluxo de solvente em sistema contínuo, sendo que o solvente pode ser introduzido na dorna com baixa energia interna após resfriamento prévio e eventual estocagem do mesmo. Desta forma, a temperatura daFermentation is an exothermic process, that is, heat is being generated during the conversion of the substrate. This heat can be effectively removed from the fermentation medium using the solvent flow itself in a continuous system, and the solvent can be introduced into the vat with low internal energy after previous cooling and eventual storage. In this way, the temperature of the

34/91 fermentação pode ser mantida em torno da ótima, com menores gradientes de temperatura na dorna e com mais eficiência em geral, tanto em termos de custos energéticos quanto em termos de custos de equipamento e manutenção.34/91 fermentation can be maintained around the optimum, with lower temperature gradients in the vat and with more efficiency in general, both in terms of energy costs and in terms of equipment and maintenance costs.

O processo de fermentação extrativa de acordo com a presente invenção compreende as seguintes etapas:The extractive fermentation process according to the present invention comprises the following steps:

a) Entrada de um mosto rico em carboidratos no biorreator;a) Entrance of a must rich in carbohydrates in the bioreactor;

b) B) Entrada Input de in um inóculo : an inoculum: no biorreator; in the bioreactor; c) ç) Inj eção Injection do of solvente solvent no at the biorreator; bioreactor; d) d) Remoção Removal do of solvente solvent do of biorreator; bioreactor;

e) Recuperação do solvente;e) solvent recovery;

f) Purificação da fase vapor;f) Purification of the vapor phase;

g) Remoção da fase aquosa do biorreator;g) Removal of the aqueous phase from the bioreactor;

h) Recuperação do micro-organismo.h) Recovery of the microorganism.

Na presente invenção, a etapa de detoxificação do mosto, previstas em casos como descritos acima, e de remoção do produto do meio de fermentação, são integrados. Desta forma, a remoção in-situ de produto e demais inibidores do meio de fermentação com solvente biocompativel de fato facilita a concentração do produto, elimina uma unidade extra de tratamento do mosto e diminui o custo total de produção de etanol, tanto em termos de aumento de produtividade quanto em termos de minimizarIn the present invention, the wort detoxification step, provided for in cases as described above, and removal of the product from the fermentation medium, are integrated. In this way, the in-situ removal of product and other inhibitors from the fermentation medium with biocompatible solvent actually facilitates the concentration of the product, eliminates an extra must treatment unit and reduces the total cost of ethanol production, both in terms of increase in productivity and in terms of minimizing

35/91 custos energéticos e de água utilizada no processo integral.35/91 energy and water costs used in the integral process.

A etapa (a) é de alimentação do Joiorreator com mosto proveniente de processos hidroliticos de matéria-prima ligno-celulósica, amilácea, carboidratos diretamente extraiveis, melaços fortemente esgotados com alto conteúdo de inibidores, como biotina, entre outros ou mostos similares ricos em carboidratos, onde o conteúdo do fermentador é composto por uma fase aquosa e outra orgânica.Step (a) is to feed the Joioreactor with must from hydrolytic processes of ligno-cellulosic raw material, starch, directly extractable carbohydrates, molasses strongly depleted with a high content of inhibitors, such as biotin, among others or similar musts rich in carbohydrates , where the content of the fermenter is composed of an aqueous and an organic phase.

A etapa (b) é de entrada de um inóculo no biorreator, por reciclagem, onde uma pequena fração do micro-organismo é adicionada, ou por reativação, empregando tratamento aeróbico, tratamento ácido e/ou alimentação de nutrientes. Esta etapa pode ou não ser opcional, e esta escolha depende do tipo de produto, sendo indicada na produção de produtos extracelulares e não aplicada para a produção de produtos intracelulares, onde a parede celular do fermento será perfurada ou destruída para obtenção de produtos como lipídios, enzimas, polihidroxialcanoatos, entre outros.Step (b) involves the entry of an inoculum into the bioreactor, by recycling, where a small fraction of the microorganism is added, or by reactivation, using aerobic treatment, acid treatment and / or nutrient feeding. This step may or may not be optional, and this choice depends on the type of product, being indicated in the production of extracellular products and not applied for the production of intracellular products, where the yeast cell wall will be perforated or destroyed to obtain products such as lipids , enzymes, polyhydroxyalkanoates, among others.

A etapa (c) é de injeção do solvente no biorreator, que ocorre pelo fundo do biorreator ou através de furos nos propulsores e/ou defletores. O solvente é injetado no fermentados a baixas temperaturas, variando entre -10 e 25Step (c) is injection of the solvent into the bioreactor, which occurs from the bottom of the bioreactor or through holes in the propellants and / or deflectors. The solvent is injected into the fermented at low temperatures, varying between -10 and 25

36/91 °C. O solvente pode conter oxigênio estéril para auxiliar nos mecanismos de manutenção do micro-organismo. A densidade do solvente é relativamente baixa, o que faz com que este flua naturalmente para a parte superior do biorreator, onde se forma uma camada orgânica, sendo que outra fração permanece parcialmente dispersa na fase aquosa. Por outro lado, a agitação do meio pode resultar em maior mistura do solvente no meio de fermentação, aumentando a superfície de troca de calor e o tempo em que esta superfície está exposta ao meio. O solvente funciona, portanto, como um extrator in-situ do produto, inibidores e/ou calor do meio de fermentação.36/91 ° C. The solvent may contain sterile oxygen to assist in the maintenance mechanisms of the microorganism. The density of the solvent is relatively low, which makes it flow naturally to the upper part of the bioreactor, where an organic layer is formed, with another fraction partially dispersed in the aqueous phase. On the other hand, agitation of the medium can result in greater mixing of the solvent in the fermentation medium, increasing the heat exchange surface and the time this surface is exposed to the medium. The solvent therefore functions as an in-situ product extractor, inhibitors and / or heat from the fermentation medium.

Na etapa (d), o solvente é removido do biorreator, com agitação limitada do meio, preferencialmente da parte superior, onde o mesmo é consequentemente mais rico em produto, por decantação ou centrifugação, após ou durante a fermentação.In step (d), the solvent is removed from the bioreactor, with limited agitation of the medium, preferably from the upper part, where it is consequently richer in product, by decantation or centrifugation, after or during fermentation.

Na etapa seguinte (e) o solvente é enviado para uma unidade de recuperação do mesmo. Como o solvente tem uma volatilidade menor que a água e o produto, os últimos podem então ser recuperados pelo aquecimento e evaporação a vácuo e pode ser reintroduzido no biorreator.In the next step (e) the solvent is sent to a recovery unit. As the solvent has less volatility than water and product, the latter can then be recovered by heating and vacuum evaporation and can be reintroduced into the bioreactor.

Inibidores voláteis podem ser removidos também nesta etapa. Para produtos sensíveis a altas temperaturas, comoVolatile inhibitors can also be removed at this stage. For products sensitive to high temperatures, such as

37/91 no caso de várias enzimas, ou produtos de baixa volatilidade, como no caso de aminoácidos, esta etapa pode ser modificada para prevenir o prejuízo à estrutura molecular do mesmo ou possibilitar a sua purificação. Neste caso podem ser aplicados outros métodos de separação como a utilização de um segundo solvente com maior volatilidade, ultrafiltração, aplicação de campos eletromagnéticos, diminuição da solibilidade do produto, por exemplo, por aplicação de baixa temperatura ou modificação da polaridade do solvente, entre outros.37/91 in the case of several enzymes, or products of low volatility, as in the case of amino acids, this step can be modified to prevent damage to its molecular structure or to allow its purification. In this case, other separation methods can be applied, such as the use of a second solvent with greater volatility, ultrafiltration, application of electromagnetic fields, reduction of the product's solubility, for example, by application of low temperature or modification of the solvent polarity, among others. .

A fase vapor, composta por produto da fermentação e água, é enviada para setores de purificação, como colunas de separação ou destilação e retificação (etapa (f)).The steam phase, composed of fermentation product and water, is sent to purification sectors, such as separation or distillation and rectification columns (step (f)).

A camada aquosa é bombeada do biorreator como vinho (etapa (g) ) e, opcionalmente, o micro-organismo pode ser recuperado por centrifugação, ultrafiltração, separação por membrana ou qualquer método de separação e concentração de células, na etapa (h).The aqueous layer is pumped from the bioreactor like wine (step (g)) and, optionally, the microorganism can be recovered by centrifugation, ultrafiltration, membrane separation or any method of separation and concentration of cells, in step (h).

Como mencionado anteriormente, para produtos intracelulares, a etapa (h) pode ser utilizada para a concentração das células. Já para produtos extracelulares, como por exemplo no caso de etanol produzido por levedura, a maior parte do inóculo pode ser re-utilizada, enquanto que a fase leve é enviada para o setor de tratamento finalAs mentioned earlier, for intracellular products, step (h) can be used for the concentration of the cells. For extracellular products, for example, in the case of ethanol produced by yeast, most of the inoculum can be reused, while the light phase is sent to the final treatment sector.

38/91 como vinho clarificado, podendo ser as colunas de destilação ou separação e retificação. O setor de tratamento final gera o produto e resíduos ou subprodutos, como vinhaça, flegmassa e óleo-fúsel, por exemplo.38/91 as clarified wine, which may be the distillation or separation and rectification columns. The final treatment sector generates the product and residues or by-products, such as vinasse, phlegm and oil-fusel, for example.

Podem-se citar os seguintes benefícios da tecnologia proposta pela presente invenção:The following benefits of the technology proposed by the present invention can be mentioned:

• Reduzir o custo energético do processo integral de fermentação e recuperação do produto;• Reduce the energy cost of the entire fermentation and product recovery process;

• Controle da inibição causada pelo produto da fermentação e/ou pelos produtos secundários originados do mosto, resultando em maior eficiência de fermentação e maior produtividade volumétrica e estabilidade de processo;• Control of inhibition caused by the fermentation product and / or by-products originating from the must, resulting in greater fermentation efficiency and greater volumetric productivity and process stability;

• Maior viabilidade dos micro-organismos, elevada estabilidade microbiana geral e menores riscos de aplicação de micro-organismos geneticamente modificados;• Greater viability of microorganisms, high general microbial stability and lower risks of application of genetically modified microorganisms;

• Uso de maiores concentrações de açúcar, implicando menor necessidade de água, energia e menos resíduos no final do processo (por exemplo, para a vinhaça do processo de produção de etanol que é atualmente de 11 a 13 L/L EtOH, pode passar a 3-5 L/L EtOH);• Use of higher concentrations of sugar, implying less need for water, energy and less waste at the end of the process (for example, for the vinasse of the ethanol production process, which is currently 11 to 13 L / L EtOH, can become 3-5 L / L EtOH);

• Aplicação em processo contínuo ou batelada alimentada. Durante fermentação contínua, uma vantagem adicional é a redução da perda de substrato: a taxa de escoamento de• Application in continuous or batch fed process. During continuous fermentation, an additional advantage is the reduction of substrate loss: the flow rate of

39/91 solvente pode ser utilizada como um fator extra de controle para eliminar comportamento oscilatório no bioprocesso;39/91 solvent can be used as an extra control factor to eliminate oscillatory behavior in the bioprocess;

• Resfriamento implícito do meio de fermentação pelo solvente, introduzindo-o na dorna com baixa energia interna, eliminando a necessidade de dispendiosa instrumentação externa de refrigeração, que introduz um fator de stress desnecessário ao micro-organismo;• Implicit cooling of the fermentation medium by the solvent, introducing it into the vat with low internal energy, eliminating the need for expensive external refrigeration instrumentation, which introduces an unnecessary stress factor to the microorganism;

• Utilização do solvente pode também resultar em menores concenrações de impurezas na vinhaça, promovendo a opção de reciclo da vinhaça no processo, resultando em menores quantidades de água utilizado no processo e menos energia necessária para tratamento da vinhaça;• Use of the solvent can also result in lower concentrations of impurities in the vinasse, promoting the option of recycling vinasse in the process, resulting in less amounts of water used in the process and less energy required to treat the vinasse;

• O solvente agirá como tampão de inibidores, assegurando por muito tempo certa quantidade limitada de inibidores também na fase aquosa, que pode atuar como antibiótica natural, porque organismos contaminantes como vírus e bactérias são expostos a efeitos inibidores similares aos efeitos para o micro-organismo produtor (ex. levedura);• The solvent will act as a buffer for inhibitors, ensuring for a long time a limited amount of inhibitors also in the aqueous phase, which can act as a natural antibiotic, because contaminating organisms such as viruses and bacteria are exposed to inhibitory effects similar to the effects on the microorganism producer (eg yeast);

• Assegurar por muito tempo certa quantidade limitada de inibidores na fase aquosa pode aumentar o rendimento da fermentação porque para certas concentrações de furfural o rendimento de etanol sobre glicose pode ser mais elevado devido à balança na via metabólica de NADA(P) e inibição• Ensuring for a long time a limited amount of inhibitors in the aqueous phase can increase the fermentation yield because for certain concentrations of furfural, the yield of ethanol on glucose may be higher due to the balance in the metabolic pathway of NOTHING (P) and inhibition

40/91 expressão reprimida ou induzida de enzimas chaves.40/91 repressed or induced expression of key enzymes.

• Utilização de um solvente renovável com base biológica, como o biodiesel sugerido nesta invenção, pode diminuir o custo do extrator, por ser produzido em ampla escala e opção de produção no local pela própria usina e, após de várias reciclagens no processo fermentative, pode ser re-utilizado como combustível.• Use of a bio-based renewable solvent, such as the biodiesel suggested in this invention, can decrease the cost of the extractor, as it is produced on a large scale and the option of on-site production by the plant itself and, after several recycling in the fermentative process, can be reused as fuel.

Como exemplo, a presente invenção pode ser aplicada na fermentação alcoólica convencional e, mais preferencialmente, na fermentação alcoólica de segunda geração. Porém, a tecnologia proposta pela presente invenção pode ser aplicada também na fermentação para a produção de outros produtos com propriedades adequadas para extração pelo solvente, sendo, por exemplo, acetona, butanol, propanodiol, 2-3 butanodiol, ácido acético, ácido lático, ácido propiônico, ácido butanóico, ácido succínico, enzimas, aminoácidos, como o ácido glutâmico, lisina e glutamato monossódico, terpenos, matéria-prima para bioplásticos, entre outros ou qualquer combinação destes. O processo da presente invenção também possibilita a recuperação de sub-produtos provenientes do caldo hidrolisado como furfural e compostos fenólicos, que tem valor econômico. Na produção de hidrogênio especificamente, a composição de cerca 35-50% de etanol-água no fluxo deAs an example, the present invention can be applied in conventional alcoholic fermentation and, more preferably, in second generation alcoholic fermentation. However, the technology proposed by the present invention can also be applied in fermentation for the production of other products with properties suitable for solvent extraction, being, for example, acetone, butanol, propanediol, 2-3 butanediol, acetic acid, lactic acid, propionic acid, butanoic acid, succinic acid, enzymes, amino acids, such as glutamic acid, lysine and monosodium glutamate, terpenes, raw material for bioplastics, among others or any combination of these. The process of the present invention also makes it possible to recover by-products from hydrolyzed broth such as furfural and phenolic compounds, which have economic value. In hydrogen production specifically, the composition of about 35-50% ethanol-water in the

41/91 solvente proveniente do fermentador é ideal na reformação a vapor de etanol por catálise, eliminando uma etapa de destilação neste processo.41/91 solvent from the fermenter is ideal for steam reforming from ethanol by catalysis, eliminating a distillation step in this process.

Como pode ser observado, o diferencial do processo da presente invenção está no uso do biodiesel, como agente extrator biocompativel para a extração in-situ e simultânea de produto e componentes inibidores da fermentação, especificamente o produto da fermentação e compostos inibidores presentes no mosto, sendo provenientes do hidrolisado da biomassa, do processo de extração de carboidratos da matéria-prima, ou diretamente provenientes da matéria-prima. Outro diferencial é o uso do solvente como agente refrigerante no processo fermentativo, em combinação ou não com o uso como agente de extração de componentes inibidores.As can be seen, the differential of the process of the present invention is in the use of biodiesel, as a biocompatible extraction agent for the in-situ and simultaneous extraction of fermentation inhibiting product and components, specifically the fermentation product and inhibiting compounds present in the must, coming from the biomass hydrolyzate, from the process of extracting carbohydrates from the raw material, or directly from the raw material. Another differential is the use of the solvent as a refrigerant in the fermentation process, in combination or not with the use as an extraction agent for inhibitory components.

Outros agentes extratores, tóxicos ou biocompativeis, foram explorados no estado da técnica, in-situ, ou fora da dorna, mas não o biodiesel proposto pela presente invenção, muito menos para o combinatório dos objetivos de extração de componentes inibidores e/ou refrigeração.Other extracting agents, toxic or biocompatible, have been explored in the state of the art, in-situ, or outside the vat, but not the biodiesel proposed by the present invention, much less for the purposes of combining the extraction of inhibitory components and / or refrigeration.

O diferencial de uso do preferido solvente, biodiesel, no processo da presente invenção é grande, sendo que ele é renovável e sua produção sustentável. Além de ser um agente extrator adequado em termos de biocompatibilidade,The differential in the use of the preferred solvent, biodiesel, in the process of the present invention is great, since it is renewable and its production sustainable. In addition to being a suitable extracting agent in terms of biocompatibility,

42/91 propriedades extrativas e propriedades físicas, tal como baixa viscosidade.42/91 extractive properties and physical properties, such as low viscosity.

O preferido solvente tem vantagens implícitas como produção no local a partir de óleo vegetal e re-utilização como combustível após várias reciclagens, como proposto no processo da presente invenção.The preferred solvent has implicit advantages such as on-site production from vegetable oil and reuse as a fuel after several recycles, as proposed in the process of the present invention.

EXEMPLO IEXAMPLE I

Comparação de óleo vegetal e biodiesel com base em óleo vegetal como solvente orgânico para extração de inibidores de fermentação in-situ em bagaço hidrolisado.Comparison of vegetable oil and biodiesel based on vegetable oil as an organic solvent for the extraction of in-situ fermentation inhibitors in hydrolyzed bagasse.

O óleo de mamona e seu etilester, de agora em diante indicado como biodiesel, são comparados em termos de biocompatibilidade, coeficientes de partição para vários inibidores, substratos e etanol, viscosidade e absorção de água. A absorção de água pode ser significante por concentrar o substrato na fase aquosa, por um lado, mas diluir o produto de fermentação na fase orgânica, por outro lado. As fermentações de licor hidrolítico sintético também são realizadas para verificar o esperado aumento do desempenho de etanol solvente-mediado.Castor oil and its ethylester, hereafter indicated as biodiesel, are compared in terms of biocompatibility, partition coefficients for various inhibitors, substrates and ethanol, viscosity and water absorption. Water absorption can be significant by concentrating the substrate in the aqueous phase, on the one hand, but diluting the fermentation product in the organic phase, on the other hand. Ferments of synthetic hydrolytic liquor are also carried out to verify the expected increase in the performance of solvent-mediated ethanol.

BiocompatibilidadeBiocompatibility

A biocompatibilidade dos solventes (óleo de mamona e biodiesel com base neste óleo) foi determinada utilizando quatro frascos Erlenmeyer (125mL), equipados com pescoço deThe biocompatibility of the solvents (castor oil and biodiesel based on this oil) was determined using four Erlenmeyer flasks (125mL), equipped with

43/91 cisne para saída de dióxido de carbono. O pescoço de cisne continha aproximadamente 2 mL de ácido sulfúrico para secagem do gás de exaustão. O meio de fermentação foi composto de 10 g/L peptona, 10 g/L extrato de levedura, 2,5 g/L K2HPO4 e 60 g/L glicose e foi autoclavado a 121 °C por 15 min. O meio do inóculo foi similar e utilizou-se uma cepa industrial de Saccharomyces cerevisiae (Santa Adélia), previamente repicada em placas de petri com agar-agar da mesma composição. Após 12 horas de incubação, 50 mL do inóculo foi adicionado a cada frasco. A dois frascos também se adicionaram 10 mL de um dos solventes. O peso de cada frasco foi monitorado durante a fermentação, utilizando uma balança analítica (Scientech SA210), indicando a perda de dióxido de carbono. A variação dos pesos dos frascos com e sem solvente orgânico foram comparados para verificar a biocompatibilidade dos solventes. A Figura 3 mostra o perfil de peso para a fermentação com e sem solvente. Podese ver que não há, praticamente, diferença entre os dois processos, provando a biocompatibilidade de ambos os solventes.43/91 swan for carbon dioxide outlet. The swan neck contained approximately 2 mL of sulfuric acid for drying the exhaust gas. The fermentation medium was composed of 10 g / L peptone, 10 g / L yeast extract, 2.5 g / L K2HPO4 and 60 g / L glucose and was autoclaved at 121 ° C for 15 min. The inoculum medium was similar and an industrial strain of Saccharomyces cerevisiae (Santa Adélia), previously grown in petri dishes with agar-agar of the same composition, was used. After 12 hours of incubation, 50 ml of the inoculum was added to each flask. Two flasks were also added to 10 ml of one of the solvents. The weight of each bottle was monitored during fermentation, using an analytical balance (Scientech SA210), indicating the loss of carbon dioxide. The variation of the weights of the bottles with and without organic solvent were compared to verify the biocompatibility of the solvents. Figure 3 shows the weight profile for fermentation with and without solvent. It can be seen that there is practically no difference between the two processes, proving the biocompatibility of both solvents.

No fim da fermentação, todos os frascos com solventes extrativos tiveram uma perda de 3% dióxido de carbono a menos por litro do que os frascos sem solvente, mas como houve retardo consistente no perfil de perda de peso dosAt the end of fermentation, all bottles with extractive solvents had a loss of 3% less carbon dioxide per liter than bottles without solvent, but as there was a consistent delay in the weight loss profile of

44/91 frascos com solvente orgânico, isso pode ser indicador de que houve acúmulo de dióxido de carbono na camada orgânica, ao invés da falta de biocompatibilidade.44/91 bottles with organic solvent, this may be an indicator that there was an accumulation of carbon dioxide in the organic layer, instead of the lack of biocompatibility.

Absorção de água e etanolWater and ethanol absorption

O solvente tem a capacidade de absorção de certa quantidade de água, que se eleva na medida em que se eleva a fração de etanol no solvente, o que efetivamente concentra o substrato na fase aquosa como ilustrado na figura 4. Visto que o micro-organismo empregado na fermentação converte o substrato até que este atinja uma determinada concentração no final da fermentação ou na saída de uma fermentação contínua, a perda total do substrato, em termos da quantia absoluta, diminui, ou seja, o rendimento da fermentação aumenta.The solvent has the capacity to absorb a certain amount of water, which rises as the fraction of ethanol in the solvent rises, which effectively concentrates the substrate in the aqueous phase as shown in figure 4. Since the microorganism used in fermentation converts the substrate until it reaches a certain concentration at the end of the fermentation or at the end of a continuous fermentation, the total loss of the substrate, in terms of the absolute amount, decreases, that is, the fermentation yield increases.

A absorção de água no solvente foi determinada para várias concentrações de etanol na fase aquosa (0 a 200 g/L) . Para ambos os solventes, biodiesel e óleo de mamona, foi construído um sistema bifásico a partir de 5 gramas de água Milli-Q, 5 gramas de solvente orgânico e uma quantia de etanol.The absorption of water in the solvent was determined for various concentrations of ethanol in the aqueous phase (0 to 200 g / L). For both solvents, biodiesel and castor oil, a two-phase system was built from 5 grams of Milli-Q water, 5 grams of organic solvent and a quantity of ethanol.

O sistema foi mantido em banho-maria a 34 °C sem agitação por 48 horas para que se estabelecesse um completo equilíbrio. Depois deste período amostras da fase orgânica foram transferidas para um balão de evaporador rotativo,The system was kept in a water bath at 34 ° C without stirring for 48 hours to establish a complete balance. After this period samples of the organic phase were transferred to a rotary evaporator flask,

45/91 com urn peso conhecido, e mantido sob baixa pressão (0.5 bar) a 35°C em evaporador rotativo (Marconi MA120). Determinou-se o peso do balão com balança analítica em intervalos de 5 minutos até o peso estabilizar, significando a completa remoção do etanol e água previamente presentes na fase orgânica. Uma amostra da fase aquosa foi retirada, filtrada com um exemplar de filtron 0.22 (Millipore), e a concentração de etanol foi analisada com HPLC, equipado com um auto-sampler (Varian 9095), um detector de UV (Varian 9095), um detector de índice refrativo (Varian RI-4), uma bomba binária (Varian 9010) e usando uma coluna de separação Aminex HPX-87H (Bio-Rad, 7.8*300 mm), com um Biorad micro-guard Cation-H125-0129 pre-coluna, a 25° C, e 5 mM H2SO4 como a fase móvel a 0.7ml/min. As concentrações de etanol e água na fase orgânica foram calculadas a partir do balanço de massa do sistema bifásico, utilizando a conhecida massa total de água e etanol presentes no sistema e a concentração de etanol na fase aquosa.45/91 with a known weight, and kept under low pressure (0.5 bar) at 35 ° C in a rotary evaporator (Marconi MA120). The weight of the flask with an analytical balance was determined at 5-minute intervals until the weight stabilized, meaning the complete removal of ethanol and water previously present in the organic phase. A sample of the aqueous phase was taken, filtered with a 0.22 filtron sample (Millipore), and the ethanol concentration was analyzed with HPLC, equipped with an auto-sampler (Varian 9095), a UV detector (Varian 9095), a refractive index detector (Varian RI-4), a binary pump (Varian 9010) and using an Aminex HPX-87H separation column (Bio-Rad, 7.8 * 300 mm), with a Biorad micro-guard Cation-H125-0129 pre-column, at 25 ° C, and 5 mM H2SO4 as the mobile phase at 0.7ml / min. The concentrations of ethanol and water in the organic phase were calculated from the mass balance of the biphasic system, using the known total mass of water and ethanol present in the system and the concentration of ethanol in the aqueous phase.

Como resultado, foi observado que o biodiesel absorveu quantidades signif icantes de água e em média duas vezes mais água do que etanol. Não há relação constante de água absorvida e etanol absorvido, como sugerido por Malinowski et al. (1993) para álcool oleíco. Na Figura 5 pode-seAs a result, it was observed that biodiesel absorbed significant amounts of water and on average twice as much water as ethanol. There is no constant relationship between absorbed water and absorbed ethanol, as suggested by Malinowski et al. (1993) for oleic alcohol. In Figure 5,

46/91 observar que com o aumento das concentrações de etanol na fase aquosa, ambos os solventes orgânicos absorveram mais etanol e água e a razão entre água e etanol absorvida diminui. 0 biodiesel absorveu 2.4 a 6.8 vezes mais água do 5 que o óleo de mamona, enquanto a absorção de etanol foi aproximadamente a mesma para ambos os solventes orgânicos.46/91 observe that with the increase in the concentrations of ethanol in the aqueous phase, both organic solvents absorbed more ethanol and water and the ratio between water and ethanol absorbed decreases. Biodiesel absorbed 2.4 to 6.8 times more water than 5 castor oil, while ethanol absorption was approximately the same for both organic solvents.

Embora uma relação clara da razão água-etanol na fase orgânica com a concentração de etanol na fase aquosa não pudesse ser concluída pelos dados experimentais, um aumento 10 na proporção de absorção etanol/água pode ser vista como aumento de concentração de etanol, especialmente para biodiesel.Although a clear relationship between the water-ethanol ratio in the organic phase and the concentration of ethanol in the aqueous phase could not be concluded from the experimental data, an increase in the ethanol / water absorption ratio can be seen as an increase in the concentration of ethanol, especially for biodiesel.

Isto significa que com uma concentração mais alta de etanol na fase aquosa, o etanol é relativamente mais 15 absorvido. Isso é muito mais significativo no caso de biodiesel, onde ambas frações de água e etanol absorvidas são maior com aumento da concentração de etanol. Enquanto que a diferença em absorção de água é considerável entre biodiesel e óleo de mamona, a diferença em absorção de 20 etanol reside mais dentro dos padrões de desvio dos experimentos.This means that with a higher concentration of ethanol in the aqueous phase, ethanol is relatively more absorbed. This is much more significant in the case of biodiesel, where both water and ethanol fractions absorbed are greater with increased ethanol concentration. While the difference in water absorption is considerable between biodiesel and castor oil, the difference in absorption of 20 ethanol lies more within the deviation patterns of the experiments.

Frise-se que, com outro produto, por exemplo butanol, outras quantidades podem ser esperadas.It should be noted that, with another product, for example butanol, other quantities can be expected.

No todo, o biodiesel apresenta uma vantagem sobre oOn the whole, biodiesel has an advantage over the

47/91 óleo de mamona quanto à maior absorção de água e pode assim como efeito concentrar substratos na fase aquosa durante a fermentação, o que leva a uma redução na perda de substratos em fermentações contínuas ou aumento na produção e rendimento para fermentação em regime batelada e batelada alimentada.47/91 castor oil for greater water absorption and can thus effect the concentration of substrates in the aqueous phase during fermentation, which leads to a reduction in the loss of substrates in continuous fermentations or an increase in production and yield for batch fermentation. and batch fed.

Coeficientes de partiçãoPartition coefficients

Os coeficientes de partição (ver equação abaixo) foram determinados para subprodutos de hidrólise: furfural, 5hidroximetil-furfural, baunilha, seringaldeído, aldeído coniferílico e ácido acético. Também foram determinados os coeficientes de partição para a glicose, sacarose, frutose, xilose e para glicerol e etanol.The partition coefficients (see equation below) were determined for hydrolysis by-products: furfural, 5hydroxymethyl-furfural, vanilla, syringaldehyde, coniferyl aldehyde and acetic acid. The partition coefficients for glucose, sucrose, fructose, xylose and for glycerol and ethanol were also determined.

W aq m = —— p (coeficiente de partição) Worg onde: mp é o coeficiente de partição (-), worg: a fração mássica do componente na fase orgânica (-) , waq: a fração mássica do componente na fase aquosa.W aq m = —— p (partition coefficient) W org where: m p is the partition coefficient (-), w org : the mass fraction of the component in the organic phase (-), w aq : the mass fraction of the component in the aqueous phase.

Todos os coeficientes foram determinados para seis diferentes concentrações de etanol na fase aquosa na faixa de 0 a 200 g/L. Para cada um destes componentes e para cada concentração de etanol, foi estabelecido o sistema bifásico em um tubo Eppendorf contendo 1 grama de uma solução deAll coefficients were determined for six different concentrations of ethanol in the aqueous phase ranging from 0 to 200 g / L. For each of these components and for each concentration of ethanol, the biphasic system was established in an Eppendorf tube containing 1 gram of a solution of

48/91 lg/L do componente, exceto para etanol, em água Milli-Q como a fase aquosa e 1 grama de biodiesel como a fase orgânica. O sistema bifásico foi mantido fechado e não agitado por 48 horas em um banho-maria a 34 °C antes de centrifugar por 5 minutos a 2000 RPM. Uma amostra de cerca de 500 mg da fase orgânica foi adicionada a 7 00 mg água Milli-Q, formando um segundo sistema bifásico de extração reversa do componente. Este sistema bifásico reverso também foi mantido sem agitação por 48 horas a 34°C. As fases aquosas dos sistemas bifásicos originais e bifásicos reversos foram analisadas em um equipamento HPLC. As medições de HPLC para glicose, xilose, glicerol e etanol foram feitas usando uma coluna de intercâmbio de íon (BioRad, Aminex HPX-87H 7.8* 300mm) , a 25°C e 5 mMH2SO4 como fase móvel a 0.7ml/min; a deteção foi feita por um detector de índice de refração (Varian RI-4). Ácido acético e ácido láctico foram separadas com a mesma coluna, mas quantificadas com um detector UV (Varian 9095) a 210nm.48/91 lg / L of the component, except for ethanol, in Milli-Q water as the aqueous phase and 1 gram of biodiesel as the organic phase. The biphasic system was kept closed and not stirred for 48 hours in a water bath at 34 ° C before centrifuging for 5 minutes at 2000 RPM. A sample of about 500 mg of the organic phase was added to 7 00 mg Milli-Q water, forming a second biphasic system for the reverse extraction of the component. This reverse two-phase system was also maintained without stirring for 48 hours at 34 ° C. The aqueous phases of the original two-phase and reverse two-phase systems were analyzed on an HPLC equipment. HPLC measurements for glucose, xylose, glycerol and ethanol were made using an ion exchange column (BioRad, Aminex HPX-87H 7.8 * 300mm), at 25 ° C and 5 mMH 2 SO 4 as a mobile phase at 0.7ml / min; the detection was made by a refractive index detector (Varian RI-4). Acetic acid and lactic acid were separated with the same column, but quantified with a UV detector (Varian 9095) at 210nm.

Furfural, furfural 5-hydroxymetilo, baunilha, syringaldeído e coniferylaldeído, foram retidos usando uma coluna C-18 (pBondapak, 10 pm, 3.9*300nm) e quantificados com detecçãoFurfural, furfural 5-hydroxymethyl, vanilla, syringaldehyde and coniferylaldehyde, were retained using a C-18 column (pBondapak, 10 pm, 3.9 * 300nm) and quantified with detection

UV (Varian 9095) em extensão de ondas que eram mais apropriadas para cada composto individualmente. Uma solução de acetonitrila em água foi usada como eluente (Iml/min).UV (Varian 9095) in wave lengths that were most appropriate for each compound individually. A solution of acetonitrile in water was used as an eluent (Iml / min).

49/9149/91

Os eluentes foram preparados com água Milli-Q, filtrada com 0.45 filtro pm (Millipore).The eluents were prepared with Milli-Q water, filtered with 0.45 pm filter (Millipore).

A partir do balanço de massa sobre o sistema bifásico original e reverso, foram determinados os coeficientes de partição para cada componente e para cada concentração de etanol na fase aquosa. Todas as medidas foram executadas em duplicatas ou triplicatas e os resultados resumidos na tabela 1.From the mass balance on the original and reverse biphasic system, the partition coefficients for each component and for each concentration of ethanol in the aqueous phase were determined. All measurements were performed in duplicates or triplicates and the results are summarized in Table 1.

Os coeficientes de partição dependem muito da quantidade de etanol presente no sistema bifásico. Coeficientes de partição para HMF e furfural aumentam com o aumento da concentração de etanol. Por entanto, para baunilha, seringaldeido e aldeido coniferilico os coeficientes de partição tendem a diminuir com maior concentração de etanol no sistema.The partition coefficients depend a lot on the amount of ethanol present in the two-phase system. Partition coefficients for HMF and furfural increase with increasing ethanol concentration. However, for vanilla, seringaldehyde and coniferyl aldehyde, the partition coefficients tend to decrease with a higher concentration of ethanol in the system.

Pode ser visto também que para estes componentes existem coeficientes de partição máximas para concentrações de etanol dentro da faixa escolhida de 0 a 200 g/L e, mais especifico, para concentrações abaixo de 80 g/L. Coincidentemente, este valor é em torno da concentração de etanol que é visto como a concentração a partir da qual a inibição por etanol é significativa, em temperaturas padrões de fermentação de acordo com o trabalho de Rivera e colaboradores, de 2006 e incorporado aqui por referência emIt can also be seen that for these components there are maximum partition coefficients for concentrations of ethanol within the chosen range of 0 to 200 g / L and, more specifically, for concentrations below 80 g / L. Coincidentally, this value is around the concentration of ethanol which is seen as the concentration at which the inhibition by ethanol is significant, at standard fermentation temperatures according to the work of Rivera et al., 2006 and incorporated here by reference in

50/91 sua totalidade. Durante a fermentação etanólica, os maiores coeficientes de partição de biodiesel podem então ser explorados sem prejuízo de inibição por etanol.50/91 in its entirety. During ethanol fermentation, the highest biodiesel partition coefficients can then be exploited without prejudice to inhibition by ethanol.

Para os substratos sacarose, glicose, frutose e xilose, os coeficientes de partição são relativamente pequenos, até desprezíveis, com valores de 0,04 para glicose e frutose até 1,2·10~3 para xilose. A seletividade para açúcares é baixa e os coeficientes de partição para os substratos estudados são desprezíveis e ainda diminuem para maiores quantidades de etanol no sistema.For sucrose, glucose, fructose and xylose substrates, the partition coefficients are relatively small, even negligible, with values of 0.04 for glucose and fructose up to 1.2 · 10 ~ 3 for xylose. The selectivity for sugars is low and the partition coefficients for the studied substrates are negligible and still decrease for greater amounts of ethanol in the system.

Coeficientes de partição de glicerol, ácido acético e ácido láctico são relativamente baixos e não maiores do que 0,3. Para a extração destes componentes, biodiesel não tem um desempenho ideal. Contudo, a concentração ótima de etanol na fase aquosa para exploração máxima de coeficientes de partição de glicerol, ácido acético e ácido láctico encontra-se abaixo de 80 g/L.Partition coefficients of glycerol, acetic acid and lactic acid are relatively low and no greater than 0.3. For the extraction of these components, biodiesel does not perform optimally. However, the optimal concentration of ethanol in the aqueous phase for maximum exploitation of partition coefficients of glycerol, acetic acid and lactic acid is below 80 g / L.

O mesmo experimento foi feito, sendo que foi substituído o biodiesel por óleo de mamona. Do balanço de massa sobre os sistemas bifásicos, sendo o sistema original e o sistema secundário como acima descrito para biodiesel, os coeficientes de partição foram determinados para cada componente e para cada concentração de etanol na fase aquosa.The same experiment was carried out, with biodiesel being replaced by castor oil. From the mass balance over the two-phase systems, the original system and the secondary system being described above for biodiesel, the partition coefficients were determined for each component and for each concentration of ethanol in the aqueous phase.

51/9151/91

Os coeficientes de partição medidos são representados na Tabela 1. Até as concentrações de etanol de 100g/L na fase aquosa, o biodiesel supera o desempenho do óleo de mamona como agente extrator para todos os componentes inibidores de fermentação medidos, sendo HMF, furfural, baunilha, siringaldeido e coniferil aldeido ácido acético e ácido lático. Aparentemente, todos esses compostos têm mais afinidade com biodiesel do que o óleo de mamona. Entretanto, essa afinidade depende fortemente da quantia de etanol presente no sistema de duas fases. Os coeficientes de partição para HMF e furfural aumentam com a crescente concentração de etanol, pelo menos até lOOg/L de etanol na fase aquosa.The measured partition coefficients are shown in Table 1. Until ethanol concentrations of 100g / L in the aqueous phase, biodiesel exceeds the performance of castor oil as an extracting agent for all measured fermentation inhibiting components, being HMF, furfural, vanilla, syringaldehyde and coniferyl aldehyde acetic acid and lactic acid. Apparently, all of these compounds have more affinity for biodiesel than castor oil. However, this affinity depends heavily on the amount of ethanol present in the two-phase system. The partition coefficients for HMF and furfural increase with the increasing concentration of ethanol, at least up to 100 g / L of ethanol in the aqueous phase.

Este também é o caso para coeficientes de partição de baunilha, siringaldeido e coniferilaldeido no caso do óleo de mamona como solvente orgânico, mas no caso do biodiesel, cada coeficiente de partição, tende a diminuir mais rápido com a quantia crescente de etanol no sistema. Também pode ser visto que os valores máximos dos coeficientes de partição desses compostos são atingidos para concentrações de etanol dentro da faixa de concentração de etanol escolhida de 0 a 200g/L, mas que as concentrações de etanol para atingir estes valores máximos, não são os mesmos para biodiesel e óleo de mamona. Para o biodiesel como solventeThis is also the case for vanilla, syringaldehyde and coniferylaldehyde partition coefficients in the case of castor oil as an organic solvent, but in the case of biodiesel, each partition coefficient tends to decrease faster with the increasing amount of ethanol in the system. It can also be seen that the maximum values of the partition coefficients of these compounds are reached for concentrations of ethanol within the chosen ethanol concentration range of 0 to 200g / L, but that the concentrations of ethanol to reach these maximum values are not the same for biodiesel and castor oil. For biodiesel as a solvent

52/91 orgânico, as coeficientes de partição máximas podem ser encontradas para concentrações de etanol mais baixas de do que para o óleo de mamona. Coincidentemente, para o biodiesel, essas máximas são encontradas no etanol abaixo 5 de 80 g/L, concentração na qual o etanol se torna um inibidor para a fermentação, na maioria das temperaturas padrão de fermentação (Rivera et al. , 2006). Durante a fermentação de etanol, as propriedades extrativas de biodiesel podem assim serem exploradas ao máximo enquanto a inibição pelo etanol ainda pode ser mantido baixa.52/91 organic, maximum partition coefficients can be found for lower ethanol concentrations than for castor oil. Coincidentally, for biodiesel, these maxims are found in ethanol below 5 of 80 g / L, a concentration at which ethanol becomes an inhibitor for fermentation at most standard fermentation temperatures (Rivera et al., 2006). During the fermentation of ethanol, the extractive properties of biodiesel can thus be exploited to the fullest while the inhibition by ethanol can still be kept low.

Para os substratos sacarose, glicose, frutose e xilose, nenhuma diferença significante pode ser vista entre as coeficientes de partição para biodiesel e óleo de mamona, mas em todos os casos os coeficientes de partição 15 são relativamente pequenos, com valores medidos variando entre 0.04 para glicose e abaixo de 1.210 3 para xilose.For sucrose, glucose, fructose and xylose substrates, no significant difference can be seen between the partition coefficients for biodiesel and castor oil, but in all cases the partition coefficients 15 are relatively small, with measured values ranging between 0.04 for glucose and below 1,210 3 for xylose.

Além disso, coeficientes de partição para os substratos estudados diminuem frente uma quantidade aumentada de etanol no sistema, para ambos, biodiesel e óleo de mamona.In addition, partition coefficients for the studied substrates decrease with an increased amount of ethanol in the system, for both biodiesel and castor oil.

Assim, como desejado, a seletividade para o açúcar é desprezível em ambos os casos, biodiesel e óleo de mamona como solvente orgânico. O uso de qualquer desses solventes durante a fermentação consequentemente não conduzirá a nenhuma diminuição significante em concentrações de açúcarThus, as desired, the selectivity for sugar is negligible in both cases, biodiesel and castor oil as an organic solvent. The use of any of these solvents during fermentation will therefore not lead to any significant decrease in sugar concentrations

53/91 na fase aquosa53/91 in the aqueous phase

No geral, a ótima concentração de etanol na fase aquosa para máxima exploração dos coeficientes de partição para glicerol, o ácido acético e ácido lático podem ser encontrados abaixo de 80 g/LIn general, the optimal concentration of ethanol in the aqueous phase for maximum exploitation of the partition coefficients for glycerol, acetic acid and lactic acid can be found below 80 g / L

Tabela 1: Coeficiente de partição de vários compostos paraTable 1: Partition coefficient of various compounds for

biodiese biodiese (BD) (BD) e and Óleo Oil de in Mamona Castor bean (CO) (CO) na at presença presence de in concentrações concentrations diferentes many different de etanol of ethanol . na . at fase aquosa water phase 3 3 dehyde dehyde aldehyde aldehyde Ethanol Ethanol HMF HMF furfural furfural vanillin vanillin syring al syring al coniferyl coniferyl Sucrose Sucrose glucose glucose fructose fructose xylose xylose glycerol glycerol acetic ac acetic ac lactic aci lactic aci Ethanol Ethanol 0 0 BD BD 0,33 0.33 1,8 1.8 3,1 3.1 1,6 1.6 18 18 0,018 0.018 0,034 0.034 0,035 0.035 0,0031 0.0031 0,093 0.093 0,071 0.071 0,132 0.132 - - CO CO < 0,01 <0.01 0,37 0.37 1.1 1.1 0,5 0.5 2,5 2.5 0,025 0.025 0,040 0.040 0,040 0.040 0,0026 0.0026 0,044 0.044 0,006 0.006 0,0019 0.0019 . . 37 37 BD BD 0,26 0.26 2,1 2.1 3,7 3.7 1,8 1.8 28 28 0,018 0.018 0,033 0.033 0,034 0.034 0,0018 0.0018 0,068 0.068 0,127 0.127 0,096 0.096 0,12 0.12 CO CO < 0,01 <0.01 0,45 0.45 1,0 1.0 0,4 0.4 2,6 2.6 0,0092 0.0092 0,027 0.027 0,027 0.027 0,0032 0.0032 0,023 0.023 0,048 0.048 0,0024 0.0024 0,09 0.09 74 74 BD BD 0,17 0.17 2,3 2.3 2,8 2.8 1,4 1.4 29 29 0,0073 0.0073 0,022 0.022 0,022 0.022 0,0012 0.0012 0,084 0.084 0,258 0.258 0,070 0.070 0,12 0.12 CO CO 0,012 0.012 0,85 0.85 1,5 1.5 0,6 0.6 3,8 3.8 0,011 0.011 0,024 0.024 0,024 0.024 0,0038 0.0038 0,021 0.021 0,068 0.068 0,0042 0.0042 0,11 0.11 110 110 BD BD 0,40 0.40 2,4 2.4 1,8 1.8 0,97 0.97 22 22 0,0046 0.0046 0,020 0.020 0,023 0.023 0,0014 0.0014 0,041 0.041 0,304 0.304 0,065 0.065 0,12 0.12 CO CO < 0,01 <0.01 1,5 1.5 5,4 5.4 1,98 1.98 16 16 0,0061 0.0061 0,019 0.019 0,019 0.019 0,0034 0.0034 0,018 0.018 0,076 0.076 0,0084 0.0084 0,12 0.12 149 149 BD BD 0,49 0.49 2,5 2.5 1,5 1.5 0,86 0.86 18 18 0,0093 0.0093 0,020 0.020 0,021 0.021 0,0014 0.0014 0,054 0.054 0,337 0.337 0,071 0.071 0,15 0.15 CO CO 0,15 0.15 1,4 1.4 4,5 4.5 1,84 1.84 13 13 0,0075 0.0075 0,022 0.022 0,019 0.019 0,0022 0.0022 0,018 0.018 0,104 0.104 0,013 0.013 0,14 0.14 183 183 BD BD 0,61 0.61 2,5 2.5 1,4 1.4 0,81 0.81 15 15 0,0022 0.0022 0,014 0.014 0,014 0.014 0,0016 0.0016 0,038 0.038 0,346 0.346 0,068 0.068 0,15 0.15 CO CO 0,19 0.19 1,4 1.4 4,1 4.1 1,72 1.72 9,7 9.7 0,0058 0.0058 0,017 0.017 0,018 0.018 0,0018 0.0018 0,016 0.016 0,102 0.102 0,013 0.013 0,17 0.17

FermentaçõesFermentations

Foram executadas fermentações para ilustrar viabilidade técnica da presente invenção. Como inibidores foram escolhidos furfural, ácido acético e baunilha representando os grupos principais de inibidores: furanos ácidos carboxilicos e compostos fenólicos.Fermentations were performed to illustrate the technical feasibility of the present invention. Furfural, acetic acid and vanilla were chosen as inhibitors representing the main groups of inhibitors: furans carboxylic acids and phenolic compounds.

Estes inibidores, foram introduzidos no pré-inoculo noThese inhibitors were introduced in the pre-inoculum in the

54/91 inóculo e nas fermentações finais na razão furfural:ácido acético: baunilha de 1:2.2:0.6 g/L, que é uma razão representativa para caldo hidrolitico. Além destes inibidores, os meios foram preparados com 10 g/L de peptona, 10 g/L extrato de levedura, 2.5 g/L de K2HPO4 e 110 g/L de glicose, esterilizados em autoclave a 121°C por 15 minutos. A incubação do inóculo foi feita em Erlenmeyer, utilizando um agitador (Tecnallab TE420) a 34°C e 150rpm e monitorando a densidade ótica a cada 12 horas, usando um espectrofotômetro (Beckman Coulter DU 640) a 600nm.54/91 inoculum and in the final fermentations in the furfural: acetic acid: vanilla ratio of 1: 2.2: 0.6 g / L, which is a representative ratio for hydrolytic broth. In addition to these inhibitors, the media were prepared with 10 g / L of peptone, 10 g / L yeast extract, 2.5 g / L of K 2 HPO 4 and 110 g / L of glucose, sterilized in an autoclave at 121 ° C for 15 minutes. The incubation of the inoculum was done in Erlenmeyer, using an agitator (Tecnallab TE420) at 34 ° C and 150rpm and monitoring the optical density every 12 hours, using a spectrophotometer (Beckman Coulter DU 640) at 600nm.

A biomassa das fermentações finais foi determinada pela massa seca de cada amostra, tendo cada uma sido lavada duas vezes com água milliQ. Estas fermentações finais, executadas empregando uma cepa de Saccharomyces cerevisiae industrial (Usina Santa Adélia) em faixas de temperatura entre 30 e 37°C e pH entre 4.0 e 4.5, foram distintas de seguinte forma:The biomass of the final fermentations was determined by the dry mass of each sample, each of which was washed twice with milliQ water. These final fermentations, carried out using an industrial Saccharomyces cerevisiae strain (Usina Santa Adélia) in temperature ranges between 30 and 37 ° C and pH between 4.0 and 4.5, were distinguished as follows:

A. FermentaçãosemA. Fermentation without

B. FermentaçãocomB. Fermentationwith

C. Fermentaçãocom inibidores, sem solvente inibidores, sem solvente inibidores, com solventeC. Fermentationwith inhibitors, without solvent inhibitors, without solvent inhibitors, with solvent

Os volumes das fermentações A e B foram de 1L de meio.The volumes of fermentations A and B were 1L of medium.

Para a fermentação C, um total de 400mL do solvente foi adicionado a 800mL de meio. Antes da fermentação, o solvente foi lavado 4 vezes em bateladas de cada 500mL cadaFor fermentation C, a total of 400mL of the solvent was added to 800mL of medium. Before fermentation, the solvent was washed 4 times in batches of each 500mL each

55/91 com 2500mL de água destilada a 25°C, utilizando borbulhamento de ar comprimido com fluxo de 0.2 L-min1 durante 2 horas. Com este método, bolhas de ar levam uma micro-camada de água limpa para a fase orgânica, na parte de superior do sistema bifásico. Na superfície desta fase a bolha quebra, espalhando a água na superfície da camada de biodiesel e submerge em seguida, levando impurezas até a fase aquosa inferior. Entre cada ciclo de lavaqem, o solvente foi deixado por duas horas antes da drenagem da camada aquosa. Amostras desta fase aquosa foram analisadas com HPLC para garantir a remoção completa de traços de /55/91 with 2500mL of distilled water at 25 ° C, using compressed air bubbling with a flow of 0.2 L-min 1 for 2 hours. With this method, air bubbles take a micro-layer of clean water to the organic phase, at the top of the biphasic system. On the surface of this phase the bubble breaks, spreading the water on the surface of the biodiesel layer and then submerges, taking impurities to the lower aqueous phase. Between each washing cycle, the solvent was left for two hours before draining the aqueous layer. Samples of this aqueous phase were analyzed with HPLC to ensure complete removal of traces of /

glicerol, etanol e outras impurezas. Depois de repetir o processo da lavagem, o solvente foi transvazado, secado e clarificado em evaporador rotativo (Marconi MA 120) a 55°C e 0.5 bar.glycerol, ethanol and other impurities. After repeating the washing process, the solvent was emptied, dried and clarified on a rotary evaporator (Marconi MA 120) at 55 ° C and 0.5 bar.

Massa seca do fermento e concentrações de substrato, inibidores e produto (etanol) foram determinados através de amostras obtidas durante as fermentações. As Figuras 6, 7 e 8 mostram os resultados para a fermentação A, B e C.Dry yeast mass and concentrations of substrate, inhibitors and product (ethanol) were determined using samples obtained during fermentations. Figures 6, 7 and 8 show the results for fermentation A, B and C.

As Figuras 9 e 10 mostram os perfis de concentração de furfural, furfuril-álcool, baunilha e álcool baunílico durante a fermentação sem solvente (Figura 9) e com solvente (Figura 10). O resultado destas fermentações mostra a viabilidade do invento processo, que pode serFigures 9 and 10 show the concentration profiles of furfural, furfuryl-alcohol, vanilla and baunyl alcohol during fermentation without solvent (Figure 9) and with solvent (Figure 10). The result of these fermentations shows the feasibility of the process invention, which can be

56/91 resumido de seguinte forma: comparando-se a fermentação sem inibidores (A), que demorou 24 horas, com a fermentação com inibidores e sem solvente (B) , que demorou 90 horas para ser concluída, verifica-se que houve um aumento de quase 4 vezes no tempo de fermentação.56/91 summarized as follows: comparing the fermentation without inhibitors (A), which took 24 hours, with the fermentation with inhibitors and without solvent (B), which took 90 hours to complete, it appears that there was a almost 4-fold increase in fermentation time.

Assim, a introdução de solvente no fermentador com inibidores, reduziu o tempo total de fermentação, que voltou a ser de 24 horas, ou seja, quatro vezes menor, aproximadamente. Corrigindo o volume aquoso para 20% menos, estas quantias correspondem a uma redução de tempo de fermentação de 67%.Thus, the introduction of solvent in the fermenter with inhibitors, reduced the total fermentation time, which returned to 24 hours, that is, four times less, approximately. Correcting the aqueous volume to 20% less, these amounts correspond to a reduction of fermentation time of 67%.

Além da desintoxicação do meio pelo solvente, ocorre a desintoxicação natural por via metabólica do fermento. Quanto ao furfural e a baunilha, o mecanismo de desintoxicação microbiológica funciona com a redução de furfural a álcool furfurílico e baunilha à álcool baunílico. A princípio, o furfural é reduzido com uma taxa que decresce quando a concentração de furfural torna-se menor. Ά redução de baunilha, ao contrário, é mais vagarosa ou negligente inicialmente, e depois a completa conversão de furfural, suas taxas aumentam até toda a baunilha tenha sido reduzida.In addition to the detoxification of the medium by the solvent, natural detoxification occurs via the metabolic pathway of yeast. As for furfural and vanilla, the microbiological detoxification mechanism works by reducing furfural to furfuryl alcohol and vanilla to baunyl alcohol. At first, furfuraldehyde is reduced at a rate that decreases when furfuraldehyde concentration becomes lower. Ά vanilla reduction, on the contrary, is slower or slower at first, and after the complete conversion of furfural, its rates increase until the whole vanilla has been reduced.

A fermentação com inibidores, mas sem solvente (Figura 9) permanece em fase lag até furfural e baunilha seremFermentation with inhibitors, but without solvent (Figure 9) remains in the lag phase until furfural and vanilla are

57/91 convertidos a níveis menos tóxicos, no o caso a partir de 60 horas. A partir deste momento, a fermentação continua de maneira convencional durante as mesmas 24 horas, como visto para fermentação sem inibidores (A) .57/91 converted to less toxic levels, in this case after 60 hours. Thereafter, fermentation continues in a conventional manner for the same 24 hours, as seen for fermentation without inhibitors (A).

Na presença do solvente (Figura 10) , a fermentação alcoólica começa logo após de introdução de levedura ao meio, Neste caso, os inibidores são distribuídos entre a fase aquosa e a fase orgânica. A concentração dos inibidores na fase aquosa é consequentemente menor do que na fermentação B, e a levedura que está somente susceptível aos inibidores nesta fase aquosa, tem uma necessidade menor de desintoxicar o meio para manter um desempenho fermentative viável.In the presence of the solvent (Figure 10), alcoholic fermentation begins right after the introduction of yeast to the medium. In this case, the inhibitors are distributed between the aqueous phase and the organic phase. The concentration of inhibitors in the aqueous phase is therefore lower than in fermentation B, and yeast which is only susceptible to inhibitors in this aqueous phase, has a lesser need to detoxify the medium to maintain a viable fermentative performance.

Na presença do biodiesel, o mesmo padrão de redução pode ser visto como foi o caso para a fermentação sem solvente, com exceção de duas observações principais. Primeiramente, há uma fase de retardo de 5 horas antes do furfural começar a ser reduzido significantemente, enquanto que a redução dos inibidores na fermentação B começa diretamente depois da introdução do inóculo no meio. Embora que o inoculo cresceu sob condições inibidoras iguais para ambas as fermentações, a levedura tinha que induzir novamente sua capacidade metabólica para reduzir o furfural, mas foi acionada a fazer isso mais tarde emIn the presence of biodiesel, the same pattern of reduction can be seen as was the case for fermentation without solvent, with the exception of two main observations. First, there is a delay phase of 5 hours before furfuraldehyde starts to be significantly reduced, while the reduction of inhibitors in fermentation B begins directly after the introduction of the inoculum into the medium. Although the inoculum grew under equal inhibitory conditions for both fermentations, the yeast had to again induce its metabolic capacity to reduce furfural, but it was triggered to do so later in

58/91 fermentação C e em uma menor extensão. As concentrações mais baixas de furfural, baunilha e ácido acético na fase aquosa podem ter reduzido a necessidade de uma reação imediata à presença desses compostos tóxicos. Em segundo lugar, a taxa máxima de redução especifica de furfural, calculada a partir da somma da redução na fase aquosa e na fase orgânica, é maior no sistema bifásico (0.27 g-g“1-h'1) do que na fermentação sem solvente (0.05 g-g'1-h1). Para baunilha, uma diferença semelhante é vista: 0.20 g-g^-h’1 redução especifica versus 0.03 g*g_1’h_1; . Aparentemente, o mais baixo nível de inibição sinérgica na presença de uma fase orgânica permite uma redução de furfural e baunilha mais efetiva. Assim, enquanto na presença de uma fase orgânica a concentração de furfural à qual a levedura é exposta (0.9 g-11 na fase aquosa) é mais baixa do que na fermentação sem a fase orgânica (2 g’l_1) a taxa de redução específica é de cinco para seis vezes mais alta.58/91 fermentation C and to a lesser extent. The lower concentrations of furfural, vanilla and acetic acid in the aqueous phase may have reduced the need for an immediate reaction to the presence of these toxic compounds. Second, the maximum specific rate of reduction of furfuraldehyde, calculated from the sum of the reduction in the aqueous phase and in the organic phase, is higher in the biphasic system (0.27 gg “ 1 -h ' 1 ) than in solvent-free fermentation ( 0.05 gg ' 1 -h 1 ). For vanilla, a similar difference is seen: 0.20 gg ^ -h ' 1 specific reduction versus 0.03 g * g _1 ' h _1 ; . Apparently, the lowest level of synergistic inhibition in the presence of an organic phase allows a more effective reduction of furfural and vanilla. Thus, while in the presence of an organic phase the concentration of furfural to which the yeast is exposed (0.9 g -1 in the aqueous phase) is lower than in fermentation without the organic phase (2 g'l _1 ) the rate of specific reduction is five to six times higher.

Portanto, para fermentação de licor hidrolisado, manter a concentração dos inibidores limitada é importante tanto para a taxa de crescimento da levedura quanto para a redução mais rápida dos inibidores e, assim, para a produtividade do processo fermentative em geral.Therefore, for hydrolyzed liquor fermentation, keeping the inhibitor concentration limited is important both for the yeast growth rate and for the faster reduction of the inhibitors and thus for the productivity of the fermentative process in general.

A alta taxa de redução de furfural resultou na redução total do furfural em 13 horas, bem antes do fim daThe high rate of furfural reduction resulted in a total reduction of furfural within 13 hours, well before the end of

59/91 fermentação. Isto tem implicações para o rendimento de etanol comparado com glicerol, que é maior enquanto furfural está presente no meio em baixas concentrações. Por outro lado, a taxa de crescimento específica e taxa de produção específica de etanol sofrem na presença de inibidores.59/91 fermentation. This has implications for ethanol yield compared to glycerol, which is higher while furfural is present in the medium at low concentrations. On the other hand, the specific growth rate and specific ethanol production rate suffer in the presence of inhibitors.

As concentrações de ácido acético não são mostradas, mas aumentaram levemente durante as fermentações. A tabela 2 resume diversos parâmetros de fermentações para cada lote de fermentação.Concentrations of acetic acid are not shown, but have increased slightly during fermentations. Table 2 summarizes the different fermentation parameters for each fermentation batch.

Tabela 2: Concentrações iniciais de inibidores e parâmetrosTable 2: Initial concentrations of inhibitors and parameters

de fermentação na fermentation seguinte ordem: máximo following order: maximum crescimento growth especifico, specific, redução reduction de in furfural e baunilha furfural and vanilla e taxas de and rates produção de production of etanol, ethanol, taxa rate máxima de produção volumétrica de maximum volumetric production of

etanol, etanol, glicerol e produção de biomassa.ethanol, ethanol, glycerol and biomass production.

furfural gr1 furfural gr 1 vanillin gr1 vanillin gr 1 acetic acid gr1 acetic acid gr 1 biodiesel % biodiesel% |lmax g-gh'1 | lmax g-gh ' 1 Qf max ggh’1 Qf max ggh ' 1 Qv max gg-h’1 Qv max gg-h ' 1 dEtOH max ggh'1 dEtOH max ggh ' 1 ^EtOH max gT1h*1 ^ EtOH max gT 1 h * 1 Yeioh gg'1 Yeioh gg ' 1 Yglycerol gg'1 Yglycerol gg ' 1 Ybiomass gg'1 Ybiomass gg ' 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0,47 0.47 - - - - 1.7 1.7 3,4 3.4 0.46 0.46 0.040 0.040 0.043 0.043 2 2 1,2 1.2 4,4 4.4 0 0 0,09 0.09 0,05 0.05 0,03 0.03 1,2 1.2 3,0 3.0 0.41 0.41 0.014 0.014 0.018 0.018 2 2 1,2 1.2 4,4 4.4 33,3 33.3 0,13 0.13 0,27 0.27 0,20 0.20 1,3 1.3 4,1 4.1 0.45 0.45 >0.026 > 0.026 0.045 0.045

Em contraste, foi mostrado no estado da técnica que a redução das taxas de furfural aumentou com concentrações mais altas de furfural até 4 g’l-1 do furfural. Para concentrações ainda maiores, as taxas de redução diminuiramIn contrast, it has been shown in the prior art that the reduction in furfural rates increased with higher furfural concentrations up to 4 g'l -1 of furfural. For even higher concentrations, the reduction rates decreased

60/91 conforme apresentado no trabalho de Palmqvist et al., em 1999 e incorporado aqui em sua totalidade por referência.60/91 as presented in the work by Palmqvist et al., In 1999 and incorporated here in its entirety by reference.

Provavelmente, o efeito da toxicidade sinérgica da baunilha e ácido acético em combinação com o furfural diminui a concentração de furfural, para a qual a taxa de redução do mesmo é máximo. Uma implicação importante desta observação é que para fermentações executadas em regime batelada alimentada, com mosto contendo inibidores como furfural, independente da aplicação de uma fase orgânica, as taxas de conversão de furfural e baunilha podem ser mais favoráveis do que para a fermentação em regime batalada, sendo que a alimentação regulada no regime de batelada alimentada permite manter as concentrações dos inibidoras constantes, mas baixas. Entretanto para a viabilidade de uma fermentação continua, a inibição do crescimento pode ser o real fator limitador ao invés da taxa máxima conversão dos inibidores, mesmo sendo que a taxa de conversão será menor do que para fermentações em regime batelada ou batelada alimentada como se nota também por Horvath et al., 2001, incorporado aqui em sua totalidade por referência.Probably, the effect of the synergistic toxicity of vanilla and acetic acid in combination with furfural reduces the furfural concentration, for which the reduction rate is maximum. An important implication of this observation is that for fermentations carried out in batch fed regime, with must containing inhibitors such as furfural, regardless of the application of an organic phase, the conversion rates of furfural and vanilla may be more favorable than for fermented batch regime. , and the regulated feeding in the fed batch regime allows to keep the inhibitor concentrations constant, but low. However, for the viability of a continuous fermentation, growth inhibition may be the real limiting factor instead of the maximum conversion rate of the inhibitors, even though the conversion rate will be lower than for batch or batch fed fermentations as noted also by Horvath et al., 2001, incorporated here in its entirety by reference.

Ainda por cima, antes de chegar às condições de 'washout' da biomassa na fermentações em regime continuo, os baixos níveis de conversão do substrato causarão a perdaOn top of that, before reaching the biomass 'washout' conditions in continuous fermentations, low substrate conversion levels will cause loss

61/91 do mesmo e baixos níveis da taxa de produção de etanol. Assim especialmente para fermentações contínuas, o sistema proposto de duas fases é uma opção prometedora para a produtividade e rendimento aumentado com menor dependência de taxas de redução dos inibidores pelo próprio fermento.61/91 of the same and low levels of the ethanol production rate. Thus, especially for continuous fermentations, the proposed two-phase system is a promising option for increased productivity and yield with less dependence on inhibition reduction rates by the yeast itself.

Portanto, o processo de fermentação da presente invenção pode ser otimizado para a obtenção de máximo rendimento, otimizando-se a vazão de substrato alimentado e vazão da fase orgânica pelo sistema, e no caso de fermentação em batelada ou batelada alimentada, mantendo-se em nível otimizado a concentração de inibidores presentes no meio, até o final da fermentação.Therefore, the fermentation process of the present invention can be optimized to obtain maximum yield, optimizing the flow of fed substrate and flow of the organic phase through the system, and in the case of batch or batch fermentation, keeping in optimized level the concentration of inhibitors present in the medium, until the end of fermentation.

ViscosidadeViscosity

Para ambos os solventes, biodiesel e óleo de mamona, foram feitas medidas de viscosidade usando um reômetro Physica MCR301 (Anton Paar GMbh, Graz, Austria), equipado com placa paralela de aço (75mm de diâmetro, abertura de 0.5mm) . As medidas para montagem da curva de fluxo foram realizadas em triplicatas com a taxa de cisalhamento variando de 0 a 300s_1. Um programa de passos sobe-descesobe (up-down-up) foi realizado a fim de avaliar a tixotropia do produto avaliado.For both solvents, biodiesel and castor oil, viscosity measurements were made using a Physica MCR301 rheometer (Anton Paar GMbh, Graz, Austria), equipped with a parallel steel plate (75mm in diameter, 0.5mm opening). The measurements for mounting the flow curve were performed in triplicates with the shear rate ranging from 0 to 300s _1 . A program of up-down steps (up-down-up) was carried out in order to evaluate the thixotropy of the evaluated product.

O comportamento do fluxo do biodiesel e do óleo de mamona foi modelado a fim de obter parâmetros reológicosThe flow behavior of biodiesel and castor oil was modeled in order to obtain rheological parameters

62/91 (tensão de cisalhamento (σο) , índice de consistência (K) e índice de comportamento do fluido (η)), de acordo com ο modelo Herschel-Bulkley e incorporado aqui por referência em sua totalidade, das quais foi determinada a viscosidade.62/91 (shear stress (σο), consistency index (K) and fluid behavior index (η)), according to ο Herschel-Bulkley model and incorporated here by reference in its entirety, of which the viscosity.

O efeito de temperatura sobre a viscosidade do biodiesel e óleo de mamona foi estudado dentro da faixa de 5 a 40 °C, usando um intervalo de temperatura de 5°C entre cada medida. Os resultados desse efeito da temperatura na viscosidade foram avaliados de acordo com a equação de Arrhenius, e incorporado aqui por referência em sua totalidade.The temperature effect on the viscosity of biodiesel and castor oil was studied within the range of 5 to 40 ° C, using a temperature range of 5 ° C between each measurement. The results of this temperature effect on viscosity were evaluated according to the Arrhenius equation, and incorporated here by reference in its entirety.

σ-σ°+^· Ϋ (modelo Herschel-Bulkley) ( E A 1 ln(77) = ln(770 )+ ' (equação de Arrhenius) σ-σ ° + ^ · Ϋ (Herschel-Bulkley model) (E A 1 ln (77) = ln (77 0 ) + '(Arrhenius equation)

Onde 11: viscosidade (Pa's), Ea: energia de ativação para fluido viscoso (Jmol_1K_1) , T: temperatura (K) .Where 11: viscosity (Pa's), E a : activation energy for viscous fluid (Jmol _1 K _1 ), T: temperature (K).

Para ambos, biodiesel e óleo de mamona, a tensão de cisalhamento demonstrou uma forte relação linear com a taxa de cisalhamento com intercessão a zero nos dois eixos e uma regressão média de 0.9999 para todas as temperaturas. Consequentemente não há tensão de cisalhamento (o0) e a índice de comportamento de fluxo (n) é igual a 1, conduzindo a um comportamento Newtoniano com um índice deFor both biodiesel and castor oil, the shear stress showed a strong linear relationship with the shear rate with zero intercession on both axes and an average regression of 0.9999 for all temperatures. Consequently, there is no shear stress ( 0 ) and the flow behavior index (n) is equal to 1, leading to Newtonian behavior with an index of

63/91 consistência (K) igual à viscosidade (Π) na mesma temperatura.63/91 consistency (K) equal to viscosity (Π) at the same temperature.

A Figura 11 mostra o efeito da temperatura sobre a viscosidade do biodiesel e óleo de mamona. Graficando o logaritmo natural da viscosidade contra o inverso da temperatura em Kelvin observa-se uma relação claramente linear para ambos os solventes, com regressões de 0.999. Para os dois, biodiesel e óleo de mamona, o aumento de temperaturas resultou em viscosidades decrescentes. Entretanto, o biodiesel, consistentemente teve uma viscosidade mais baixa que o óleo de mamona, para todas as temperaturas, o que era esperado já que o biodiesel foi originalmente desenvolvido para ser combustível substituto de petróleo com baixa viscosidade. Para o biodiesel e óleo mamona, n0 é encontrado 3.126’10 8 e 5.751’11 respectivamente; Πο de biodiesel é portanto mais alto que o de óleo de mamona, mas ambos são relativamente pequenos. Ea foi encontrado 33556 para biodiesel e 57431 para óleo de mamona, o que significa que a energia de ativação necessária para iniciar o fluxo é consideravelmente mais baixa para biodiesel, e pode ser entendida, que a temperatura necessária para baixa viscosidade é muito mais alta para o óleo de mamona.Figure 11 shows the effect of temperature on the viscosity of biodiesel and castor oil. Graphing the natural logarithm of viscosity against the inverse of temperature in Kelvin shows a clearly linear relationship for both solvents, with regressions of 0.999. For both biodiesel and castor oil, the increase in temperatures resulted in decreasing viscosities. However, biodiesel has consistently had a lower viscosity than castor oil for all temperatures, which was expected since biodiesel was originally developed to be a low viscosity oil substitute fuel. For biodiesel and castor oil, n 0 is found 3,126'10 8 and 5,751 '11 respectively; Πο biodiesel is therefore higher than that of castor oil, but both are relatively small. And a was found 33556 for biodiesel and 57431 for castor oil, which means that the activation energy needed to start the flow is considerably lower for biodiesel, and it can be understood that the temperature required for low viscosity is much higher for castor oil.

64/9164/91

Escolha do agente extrator preferidoChoice of preferred extraction agent

Ambos, biodiesel e óleo de mamona, demonstram ótima biocompatibilidade com levedura industrial. Porém, conforme demonstrado nos itens acima, o biodiesel em base de óleo de mamona, solvente sugerido na presente invenção, tem diversas características que o tornam uma escolha interessante como agente de extração para fermentação extrativa in-situ de inibidores como provenientes da biomassa ligno-celulósica hidrolisada ou outros mostos e matérias-primas definidos acima com fins de fermentação. É relativamente barato e um bioproduto renovável que pode ser produzido localmente. É biodegradável e um produto que, depois de diversos ciclos de utilização como agente extrator e/ou agente refrigerante, pode ainda ser vendido ou usado com biocombustível para a própria frota da usina ou subsidiários.Both biodiesel and castor oil demonstrate excellent biocompatibility with industrial yeast. However, as demonstrated in the items above, castor oil-based biodiesel, the solvent suggested in the present invention, has several characteristics that make it an interesting choice as an extraction agent for in-situ extractive fermentation of inhibitors as derived from ligno-biomass. hydrolyzed cellulosic or other musts and raw materials defined above for fermentation purposes. It is relatively inexpensive and a renewable bioproduct that can be produced locally. It is biodegradable and a product that, after several cycles of use as an extraction agent and / or refrigerant, can still be sold or used with biofuel for the plant's own fleet or subsidiaries.

Mais específico, o biodiesel tem a menor densidade em comparação com o óleo de mamona, favorecendo sua separação do caldo de fermentação.More specifically, biodiesel has the lowest density compared to castor oil, favoring its separation from the fermentation broth.

Outra vantagem do biodiesel é que absorve mais água e etanol do que o óleo de mamona, o que, de fato, concentra substrato na fase aquosa. Para uma fermentação em regime batelada ou batelada alimentada, isso significa que o açúcar é mais concentrado no final da fermentação,Another advantage of biodiesel is that it absorbs more water and ethanol than castor oil, which, in fact, concentrates substrate in the aqueous phase. For a batch or batch fed fermentation, this means that the sugar is more concentrated at the end of the fermentation,

65/91 promovendo a produtividade máxima neste estágio da fermentação, e aumenta o rendimento de fermentação em regime continuo.65/91 promoting maximum productivity at this stage of fermentation, and increases the yield of fermentation in continuous regime.

Os coeficientes de partição para os principais inibidores de fermentação são mais altos para biodiesel, resultando na remoção desses inibidores do caldo de fermentação em favor do processo de fermentação como um todo.The partition coefficients for the main fermentation inhibitors are higher for biodiesel, resulting in the removal of these inhibitors from the fermentation broth in favor of the fermentation process as a whole.

Para uma fermentação em regime batelada ou batelada alimentada, a produção de etanol começa mais cedo e as taxas de produção serão mais altas do que sem um solvente extrativo. Para uma otimização do uso das capacidades extrativas do biodiesel, a concentração de etanol na fase aquosa deveria ser ligeiramente mais abaixa que 50-80 g/1, coincidentemente a concentração em que o etanol se torna inibidor.For a batch or batch fed fermentation, ethanol production starts earlier and production rates will be higher than without an extractive solvent. In order to optimize the use of biodiesel extractive capacities, the concentration of ethanol in the aqueous phase should be slightly lower than 50-80 g / 1, coincidentally the concentration at which ethanol becomes an inhibitor.

A comparação de uma fermentação convencional sem inibidores, uma fermentação com inibidores e uma fermentação com inibidores e biodiesel, confirmam o efeito positivo do uso de biodiesel para uma série de fermentação com furfural, baunilha e ácido acético em termos de tempo de fermentação total, taxas de crescimento e taxas de produção de etanol.The comparison of a conventional fermentation without inhibitors, a fermentation with inhibitors and a fermentation with inhibitors and biodiesel, confirm the positive effect of using biodiesel for a series of fermentation with furfural, vanilla and acetic acid in terms of total fermentation time, rates growth rates and ethanol production rates.

Operações Unitárias envolvidas e Fluxograma de modalidadesUnit Operations involved and Flowchart of modalities

66/91 do Processo da Presente Invenção66/91 of the Process of the Present Invention

A Figura 12 mostra um exemplo de um possível fluxograma de uma planta de produção de etanol por fermentação extrativa, baseada na tecnologia proposta pela presente invenção. Segundo o diagrama, o meio é preparado no misturador. Após o preparo e um procedimento de tratamento térmico, o meio é resfriado por um trocador de calor e introduzido no fermentador, onde o substrato será convertido em produto (seja etanol, butanol, acetona, enzima, aminoácido, entre outros) por um micro-organismo (seja Saccharomyces cerevisia, Zymomonas mobilis, entre outros, geneticamente modificado ou não) . A mistura de vinho e solvente orgânico na saída do fermentador é enviada para um decantador, aonde o solvente será separado por diferença de densidade, eventual aplicação de calor, outro método de separação ou qualquer combinação destes.Figure 12 shows an example of a possible flowchart of an ethanol production plant by extractive fermentation, based on the technology proposed by the present invention. According to the diagram, the medium is prepared in the mixer. After preparation and a heat treatment procedure, the medium is cooled by a heat exchanger and introduced into the fermenter, where the substrate will be converted into a product (be it ethanol, butanol, acetone, enzyme, amino acid, among others) by a micro- organism (whether Saccharomyces cerevisia, Zymomonas mobilis, among others, genetically modified or not). The mixture of wine and organic solvent at the outlet of the fermenter is sent to a decanter, where the solvent will be separated by difference in density, possible application of heat, another method of separation or any combination of these.

Em seguida, como em processo de produção convencional, o vinho é clarificado em unidades de centrífugação e, via outro trocador de calor, introduzido no sistema de destilação. No caso de produto extracelular, o microorganismo pode ser reciclado e introduzido numa unidade onde se pode ocorrer eventual sangria de células, seguido por uma unidade para reativação das células por tratamento ácido, aeróbico, com nutrientes ou demais métodos com finsThen, as in the conventional production process, the wine is clarified in centrifugation units and, via another heat exchanger, introduced into the distillation system. In the case of extracellular product, the microorganism can be recycled and introduced in a unit where eventual bleeding of cells can occur, followed by a unit for reactivation of the cells by acidic, aerobic treatment, with nutrients or other methods for purposes

67/91 de reativação.67/91 reactivation.

Um produto volátil como o etanol, butanol ou acetona parcialmente presente no recuperado pela coluna de orgânico, que trocadores de exemplo, uma foi separado recuperação do usando apenas introduzido temperatura trocador de no gás de saída do fermentador, é absorção do produto. 0 solvente no decantador absorve calor via calor, antes de entrar cascata de destiladores num sistema por com o fim de solvente, o produto e água, de vapor de baixa pressão.A volatile product such as ethanol, butanol or acetone partially present in the one recovered by the organic column, which, for example, exchangers was separated from the recovery using only the temperature exchanger introduced in the fermenter outlet gas, is absorption of the product. The solvent in the decanter absorbs heat via heat, before cascading distillers into a system for the purpose of solvent, product and water, of low pressure steam.

fermentador, o solvente abaixa calor e pressão. Produto e introduzidos por exemplofermenter, the solvent lowers heat and pressure. Product and introduced for example

OutrasOthers

Figuras 13 eFigures 13 and

Antes preferência de ser reé resfriado a uma da temperatura de fermentação pelo um sistema de resfriamento sob baixa água diretamente no um retificador.Before preference is to be cooled to one of the fermentation temperature by a cooling system under low water directly in a rectifier.

configuraçõessettings

14.14.

recuperados do solvente são sistema de purificação, como possíveis são mostradas nasrecovered from the solvent are purification system, as possible are shown in the

A Figura 13 mostra a remoção de inibidores e produto com refrigeração simultânea, com recuperação do produto solvente, água inibidores em sistema com apenas um biorreator.Figure 13 shows the removal of inhibitors and product with simultaneous refrigeration, with recovery of the solvent product, water inhibitors in a system with only one bioreactor.

A Figura mostra o uso de mais biorreatores em série neste caso três dornas de fermentação. Nesta configuração a primeira dorna é responsável pelaThe Figure shows the use of more bioreactors in series in this case three fermentation vats. In this configuration, the first vat is responsible for

68/91 fermentação da maior parte do substrato alimentado, enquanto a segunda e terceira dorna são responsáveis pela fermentação do restante do substrato. Apenas na primeira dorna é necessário a remoção de inibidores e produto pelo solvente o suficiente para obter concentrações bastante baixas de pelo menos a maioria dos inibidores na saída da primeira dorna, assim garantindo uma mínima inibição sinérgica e a fermentação efetiva tanto nesta dorna como nas dornas conectadas em serie.68/91 fermentation of most of the substrate fed, while the second and third vats are responsible for the fermentation of the rest of the substrate. Only in the first vat is it necessary to remove enough inhibitors and product by the solvent to obtain very low concentrations of at least most inhibitors at the exit of the first vat, thus guaranteeing minimal synergistic inhibition and effective fermentation both in this vat and in the vats. connected in series.

A Figura 15 mostra um fluxograma de uma planta de fermentação extrativa para fermentação em batelada ou batelada alimentada com uma dorna conforme uma terceira modalidade da presente invenção. Durante a fermentação, o solvente está sendo reciclado pelo sistema, aumentando a produtividade da fermentação por meio de extração contínua dos inibidores, do produto e por estar mantendo o meio de fermentação na temperatura ótima. Após a fermentação, a fase aquosa retirada da dorna é centrifugada e o resto do produto presente nesta fase é recuperado e purificado pela etapa de destilação e retificação.Figure 15 shows a flowchart of an extractive fermentation plant for batch or batch fermentation fed with a vat according to a third embodiment of the present invention. During fermentation, the solvent is being recycled by the system, increasing the productivity of the fermentation through continuous extraction of the inhibitors, the product and for keeping the fermentation medium at the optimum temperature. After fermentation, the aqueous phase removed from the vat is centrifuged and the rest of the product present in this phase is recovered and purified by the distillation and rectification step.

A Figura 16 mostra um fluxograma de uma planta de fermentação extrativa para fermentação contínua com resfriamento e remoção de inibidores em várias dornas, conforme uma quarta modalidade da presente invenção, onde oFigure 16 shows a flowchart of an extractive fermentation plant for continuous fermentation with cooling and removal of inhibitors in several vats, according to a fourth modality of the present invention, where the

69/91 solvente é enviado por todas as dornas em sentido contracorrente ao meio fermentado. Assim, as concentrações de todos os inibidores e o produto são minimizadas na última dorna, garantindo uma produtividade e um rendimento máximo no processo integral.69/91 solvent is sent across all vats countercurrent to the fermented medium. Thus, the concentrations of all inhibitors and the product are minimized in the last vat, ensuring maximum productivity and yield in the entire process.

Modalidade Preferencial da Presente InvençãoPreferential Modality of the Present Invention

MODELAGEM DE FERMENTAÇÃO DE ETANOL EXTRATIVO EM COMBINAÇÃO COM RECUPERAÇÃO DE PRODUTO IN-SITUt MÉDIA DESINTOXICAÇÃO E RESFRIAMENTO.EXTRACTIVE ETHANOL FERMENTATION MODELING IN COMBINATION WITH IN-SITU T PRODUCT RECOVERY AVERAGE DETOXICATION AND COOLING.

Um processo de fermentação continuo foi modelado com uma série de três fermentadores, representando uma armação industrial realistica.A continuous fermentation process was modeled with a series of three fermenters, representing a realistic industrial frame.

A Figura 17 mostra uma visão esquemática do processo.Figure 17 shows a schematic view of the process.

Em um primeiro estágio, o mosto, composto de suco clarificado e caldo hidrolisado, é misturado, concentrado por evaporação, resfriado e alimentado ao primeiro fermentador como fluxo (B) . A água evaporada (A) pode ser usado para limpeza do solvente depois da remoção do etanol na unidade de recuperação de etanol, mas isso não é considerado no modelo. O primeiro fermentador é o maior em volume, contém uma fase orgânica e é responsável pela conversão de cerca 40-70 % do substrato. A fase aquosa contém todo, o substrato e levedura. A fase orgânica é parcialmente dispersada na fase aquosa, mas tende a migrarIn a first stage, the wort, composed of clarified juice and hydrolyzed broth, is mixed, concentrated by evaporation, cooled and fed to the first fermenter as a flow (B). Evaporated water (A) can be used for cleaning the solvent after removing ethanol in the ethanol recovery unit, but this is not considered in the model. The first fermenter is the largest in volume, contains an organic phase and is responsible for the conversion of about 40-70% of the substrate. The aqueous phase contains the whole, the substrate and yeast. The organic phase is partially dispersed in the aqueous phase, but tends to migrate

70/91 para o topo do fermentador devido a sua baixa densidade. A fração do etanol produzido, inibidores e uma pequena quantia de água do processo são extraídos para a fase orgânica, assim melhorando o desempenho e produtividade da fermentação e concentrando o substrato. Otimizadas concentrações de etanol no volume aquoso também permitem a máxima partição da maioria dos inibidores hidrolisados para a fase orgânica.70/91 to the top of the fermenter due to its low density. The fraction of the ethanol produced, inhibitors and a small amount of water from the process are extracted into the organic phase, thus improving the performance and productivity of the fermentation and concentrating the substrate. Optimized concentrations of ethanol in the aqueous volume also allow the maximum partition of most hydrolyzed inhibitors to the organic phase.

Outros fluxos que entram no fermentador são o eventual micro-organismo concentrado e reativado da unidade de reativação das células (Q) e solvente reciclado e refrigerado (I) que não contém inibidores e etanol. A temperatura do solvente na entrada da dorna é ajustada para permitir refrigeração do meio da fermentação, enquanto permanecer em torno de três graus acima do ponto da solidificação ou turvação deste solvente. Na simulação, uma variedade de temperaturas de fermentação alvo é avaliada por sua influência no desempenho da fermentação.Other flows that enter the fermenter are the possible concentrated and reactivated microorganism from the cell reactivation unit (Q) and recycled and refrigerated solvent (I) that does not contain inhibitors and ethanol. The temperature of the solvent at the entrance of the vat is adjusted to allow cooling of the fermentation medium, while remaining around three degrees above the point of solidification or turbidity of this solvent. In the simulation, a variety of target fermentation temperatures are evaluated for their influence on the performance of the fermentation.

A mistura de vinho e solvente é retirada da parte de cima do biorreator onde a concentração de solvente é mais alta devido à diferença de densidade entre o solvente e a fermentação média. Este fluido (D) é conduzido a uma unidade decantadora da qual o solvente, rico em etanol e água, é atraído do topo (E) enquanto o vinho decantado ouThe mixture of wine and solvent is removed from the top of the bioreactor where the solvent concentration is higher due to the difference in density between the solvent and the average fermentation. This fluid (D) is taken to a decanter unit from which the solvent, rich in ethanol and water, is attracted from the top (E) while the wine is decanted or

71/91 fase aquosa (J) é recuperado no fundo do decantador. Por ter um ponto de ebulição mais alto que ambos, etanol e água, o solvente enriquecido com etanol (E) é aquecido e o etanol e água são separados do solvente por evaporação, um estágio que não é incluído no modelo. A fração de água e etanol recuperada do solvente (F) é conduzida diretamente a um retificador, unidade da qual o etanol pode ser recuperado com alto grau de pureza (R) . O fluido de vinho decantado (J) é alimentado a um segundo e terceiro fermentador, os quais são colocados em séries através do fluxo (K).71/91 aqueous phase (J) is recovered at the bottom of the decanter. Because it has a higher boiling point than both ethanol and water, the solvent enriched with ethanol (E) is heated and the ethanol and water are separated from the solvent by evaporation, a stage that is not included in the model. The fraction of water and ethanol recovered from the solvent (F) is taken directly to a rectifier, a unit from which ethanol can be recovered with a high degree of purity (R). The decanted wine fluid (J) is fed to a second and third fermenter, which are placed in series through the flow (K).

Os dois fermentadores contêm apenas uma fase aquosa de um terço do tamanho da fase aquosa do primeiro fermentador e servem para conversão do substrato restante. Porque a maior parte do etanol produzido no primeiro fermentador foi removida, a inibição por acumulação adicional de etanol produzido nestes últimos dois fermentadores é limitada. A remoção adicional de inibidores hidrolisados também não é necessária porque a concentração desses inibidores já deveria ser pelo menos baixa o suficiente para viabilizar a fermentação no primeiro fermentador e quantias baixas de furfural têm demonstrado ter um efeito positivo para o rendimento de etanol. O resfriamento do segundo e do terceiro fermentador é feito convencionalmente, presumindoThe two fermenters contain only an aqueous phase one-third the size of the aqueous phase of the first fermenter and serve to convert the remaining substrate. Because most of the ethanol produced in the first fermenter has been removed, inhibition by further accumulation of ethanol produced in the last two fermenters is limited. The additional removal of hydrolyzate inhibitors is also not necessary because the concentration of these inhibitors should already be at least low enough to allow fermentation in the first fermenter and low amounts of furfural have been shown to have a positive effect on ethanol yield. The cooling of the second and third fermenters is done conventionally, assuming

72/91 temperaturas de fermentação iguais às temperaturas alvo do primeiro fermentador e considerando que a geração de calor nestas dornas é limitado devido a pequena quantidade de substrato a ser convertido nestes volumes. Após da saida do fluido do terceiro fermentador (L) , a levedura neste fluido é separada por centrifugação e conduzido para unidades de sangramento e tratamento da mesma por vinho clarificado (M) é bombeado para fluxo (N), enquanto o destilação e unidades retificadoras, purificando o produtos secundários, vinhaça estágio modelo.72/91 fermentation temperatures equal to the target temperatures of the first fermenter and considering that the generation of heat in these vats is limited due to the small amount of substrate to be converted in these volumes. After leaving the fluid from the third fermenter (L), the yeast in this fluid is separated by centrifugation and conducted to bleeding units and treatment by clarified wine (M) is pumped into flow (N), while the distillation and rectifying units , purifying the by-products, vinasse model stage.

fração aeração etanol e óleos (R) de fluidos de fusão (S), de um do processo queaeration fraction ethanol and oils (R) of fusion fluids (S), one of the process that

Uma porção menor restante e nutrientes em por si mesmo da levedura tratada por uma unidade leveduras antes de re-introduzir no não incluído sangrada (O) no arejamento, ácido, de tratamento para fermentador através de fluxo (Q).A smaller portion remaining and nutrients in itself from the yeast treated by a yeast unit before re-introducing in the not included bled (O) in the aeration, acid, from treatment to fermenter through flow (Q).

A escolha do solvente, um ricinoléico ou biodiesel de óleo de etil-éster de ácido mamona, foi elaborado conforme o trabalho descrito nos itens acima e baseado nas propriedades desejadas: coeficientes de partição favoráveis para produto e inibidores, alta seletividade para estes compostos comparada ao substrato, alta biocompatibilidade, baixa solubilidade na fase aquosa, alta capacidade de absorção de água para concentrar o substrato doThe choice of solvent, a ricinoleic or biodiesel from castor oil ethyl ester, was elaborated according to the work described in the items above and based on the desired properties: favorable partition coefficients for product and inhibitors, high selectivity for these compounds compared to substrate, high biocompatibility, low solubility in the aqueous phase, high water absorption capacity to concentrate the substrate of the

73/91 fermentador, características termodinâmicas favoráveis para remoção do produto do solvente e regeneração do solvente como alto ponto de ebulição, sem formação de emulsões estáveis, rápida separação da fase aquosa, alta estabilidade química em altas temperaturas, baixa viscosidade, baixo custo, possivelmente fabricada localmente e reutilização para outros propósitos, entre outros.73/91 fermentor, favorable thermodynamic characteristics for removing the product from the solvent and regenerating the solvent as a high boiling point, without forming stable emulsions, rapid separation of the aqueous phase, high chemical stability at high temperatures, low viscosity, low cost, possibly manufactured locally and reused for other purposes, among others.

A cinética do processo microbiológico de fermentação com aplicação na presente invenção foi modelado usando funções cinéticas de temperaturas e concentrações de substrato, etanol, biomassa e inibidores hidrolisados, os quais foram elaborados no trabalho de Zautsen et al., 2011 (submetido em Nov. 2011 para publicação sob título 'Kinetics of ethanol fermentation and inhibition byhydrolyzed lignocellulosic biomass'), e incorporados aqui em sua totalidade por referência. Para a maioria das etapas do processo, apenas balanços de massa simplificados foram modelados. A recuperação de etanol e reciclagem de solvente, destilagem e retificação não foram modelados. A energia calorífica introduzida nas dornas dos biorreatores por atividade metabólica relacionada à produção de etanol e a energia dissipada pelos agitadores nestas dornas foram incluídas no modelo. A energia introduzida por movimento deThe kinetics of the microbiological fermentation process applied in the present invention was modeled using kinetic functions of temperatures and concentrations of substrate, ethanol, biomass and hydrolyzed inhibitors, which were elaborated in the work of Zautsen et al., 2011 (submitted in Nov. 2011 for publication under the title 'Kinetics of ethanol fermentation and inhibition byhydrolyzed lignocellulosic biomass'), and incorporated herein in its entirety by reference. For most steps in the process, only simplified mass balances were modeled. Ethanol recovery and solvent recycling, distillation and rectification have not been modeled. The heat energy introduced in the bioreactor vats by metabolic activity related to ethanol production and the energy dissipated by the agitators in these vats were included in the model. The energy introduced by movement of

74/91 mistura foi apenas considerada para os fermentadores e o calor introduzido por dissolução exotérmica de produção de etanol não foi considerado.74/91 mixture was only considered for the fermenters and the heat introduced by exothermic dissolution of ethanol production was not considered.

Dimensões e suposições primeiro fermentador foi dimensionado com um volume de fase aquosa de 600m3, enquanto o fermentadores ambos continham 200m3 segundo e terceiro de caldo. A fase orgânica no primeiro fermentador teve um volume de 20% da fase aquosa.Dimensions and assumptions The first fermenter was dimensioned with an aqueous phase volume of 600m 3 , while the fermenters both contained 200m 3 second and third broth. The organic phase in the first fermenter had a volume of 20% of the aqueous phase.

A taxa de diluição da fase aquosa do primeiro fermentador foi fixada para 0.125h 1, pelo ajusto da taxa de alimentação, reconhecendo as diferentes densidades todos os fluidos com suas composições e temperaturas.The dilution rate of the aqueous phase of the first fermenter was fixed at 0.125h 1 , by adjusting the feed rate, recognizing the different densities of all fluids with their compositions and temperatures.

dein

Os custos das matérias-primas caldo de cana clarificado licor hidrolitico foram relacionados como 3:1.The raw material costs clarified cane juice hydrolytic liquor were reported as 3: 1.

Os componentes considerados no modelo foram substrato, biomassa, etanol, furfural, baunilha, ácido acético, água, biodiesel como solvente e dióxido de carbono. Sacarose, glicose, frutose e xilose foram consideradas como substratos iguais, sem diferenciação para conversão cinética que dependería das características e capacidades específicas da linhagem da levedura aplicada no processo real. Caldo de cana clarificado e liquor hidrolitico são supostos a não evaporar durante a preparação do mosto, embora em um esquema mais realístico, as concentrações deThe components considered in the model were substrate, biomass, ethanol, furfural, vanilla, acetic acid, water, biodiesel as a solvent and carbon dioxide. Sucrose, glucose, fructose and xylose were considered as equal substrates, without differentiation for kinetic conversion that would depend on the specific characteristics and capacities of the yeast strain applied in the real process. Clarified sugarcane juice and hydrolytic liquor are supposed not to evaporate during wort preparation, although in a more realistic scheme, the concentrations of

75/91 alguns inibidores mais voláteis como ácido acético e furfural podem muito bem serem reduzidos neste estágio.75/91 some more volatile inhibitors such as acetic and furfural acid may well be reduced at this stage.

Compostos presentes em melaço e xarope que inibem a fermentação tais como sulfeto, ácidos orgânicos, altas concentrações de sal, cálcio e magnésio e sólidos insolúveis não são considerados. Todavia as taxas de conversão biológica de inibidores diferem para cada composto furânico ou fenólico, dependendo principalmente do grupo funcional distinto. A inibição por furfural e HMF é considerada cumulativa, e é representada no modelo por furfural como sua soma total de furanos, como é a baunilha, um aldeido fenólico, escolhido como representante para a soma de todos os fenóis. 0 ácido acético representa todos os ácidos orgânicos. As densidades dos líquidos são calculadas como a soma média das densidades de todos os componentes e onde for possível com dependência de temperatura. O Etanol foi recuperado a 100% do fluxo solvente de saída e o solvente de fluxo de saída foi reintroduzido seco no primeiro fermentador e livre de compostos inibidores previamente extraídos. A temperatura limite mais baixa para solvente entrando no fermentador foi determinada como três graus acima de seu ponto de solidificação, que é aproximadamente -5°C. A cinética do transporte de compostos da fase aquosa à orgânica não foiCompounds present in molasses and syrup that inhibit fermentation such as sulfide, organic acids, high concentrations of salt, calcium and magnesium and insoluble solids are not considered. However, the biological conversion rates of inhibitors differ for each furan or phenolic compound, depending mainly on the distinct functional group. Inhibition by furfural and HMF is considered cumulative, and is represented in the model by furfural as its total sum of furans, as is vanilla, a phenolic aldehyde, chosen as a representative for the sum of all phenols. The acetic acid represents all organic acids. The densities of liquids are calculated as the average sum of the densities of all components and where possible with temperature dependence. Ethanol was recovered at 100% of the outflow solvent and the outflow solvent was reintroduced dry in the first fermenter and free of inhibitor compounds previously extracted. The lowest temperature limit for solvent entering the fermenter was determined to be three degrees above its freezing point, which is approximately -5 ° C. The kinetics of the transport of compounds from the aqueous to the organic phase was not

76/91 considerada e condições de mistura em todos os equipamentos envolvidos foram considerados ideais. O número de Reynolds Re foi fixado a 106 como foi o número da potência Np em 5.5 para a turbina do misturador com requlagem. Para cálculo de potência e turbulência, três misturadores foram supostos por fermentador, cada um com um diâmetro igualando-se a 30% de diâmetro da dorna, e a razão entra a altura e o diâmetro da dorna foi dois para todos os fermentadores. Nestas condições, a velocidade de ponta do agitador foi entre 3.3 e 6.4 m-s’1, dependendo da viscosidade e densidade do caldo e da fase orgânica. Os valores das coeficientes de partição dos componentes sobre a fase orgânica e aquosa no fermentador e no fluxo de saída do biorreator foram iguais aos coeficientes de partição como medidos em 34°C em equilíbrio para concentrações diferentes de etanol na fase aquosa.76/91 considered and mixing conditions in all the equipment involved were considered ideal. The Reynolds Re number was fixed at 10 6 as was the N p power number at 5.5 for the agglomerated mixer turbine. For calculating power and turbulence, three mixers were assumed per fermenter, each with a diameter equal to 30% diameter of the vat, and the ratio between the height and the diameter of the vat was two for all fermenters. In these conditions, the tip speed of the agitator was between 3.3 and 6.4 m-s' 1 , depending on the viscosity and density of the juice and the organic phase. The values of the partition coefficients of the components over the organic and aqueous phase in the fermenter and in the outflow of the bioreactor were equal to the partition coefficients as measured at 34 ° C in equilibrium for different concentrations of ethanol in the aqueous phase.

A viabilidade celular foi modelada somente dependente da temperatura, com taxas de morte celular relativas ao desvio da temperatura do mosto da temperatura máxima, estabelecida em 39°C, e somente a fração viável da levedura contribuiu para o crescimento celular e a produção de etanol enquanto a fração restante acrescentou à perda do rendimento do produto. A taxa de produção de dióxido de carbono foi presumida como equivalente a 95.7% da produçãoCell viability was modeled only temperature dependent, with cell death rates relative to the wort temperature deviation from the maximum temperature, set at 39 ° C, and only the viable fraction of yeast contributed to cell growth and ethanol production while the remaining fraction added to the loss of product yield. The carbon dioxide production rate was assumed to be equivalent to 95.7% of production

77/91 do etanol por peso, e a captura de etanol na exaustão de CO2 não foi considerado, nem de água, por nenhum dos três biorreatores. A geração de água devido a processos químicos metabólicos não foi considerada. A densidade da levedura foi presumida a 1200 Kg m'3. Para cada 1000 litros de etanol produzido, uma fração de 20kg de creme de levedura foi sangrada e o restante foi reativada e retornada ao fermentador. Nenhum calor foi introduzido pelo processo de centrifugação ou em qualquer outro estágio do processo, exceto na fermentação como detalhado acima. A transferência de calor do meio da fermentação para o solvente foi presumida como rápida em todos os casos, de maneira que as temperaturas da fase orgânica e o caldo da fermentação foram iguais logo após da introdução do solvente na dorna.77/91 of ethanol by weight, and the capture of ethanol in the exhaustion of CO 2 was not considered, nor of water, by any of the three bioreactors. Water generation due to metabolic chemical processes was not considered. Yeast density was assumed to be 1200 Kg m ' 3 . For every 1000 liters of ethanol produced, a 20 kg fraction of yeast cream was bled and the rest was reactivated and returned to the fermenter. No heat was introduced by the centrifugation process or at any other stage of the process, except in fermentation as detailed above. The transfer of heat from the fermentation medium to the solvent was assumed to be rapid in all cases, so that the temperatures of the organic phase and the fermentation broth were equal shortly after the introduction of the solvent into the vat.

Método de cálculo processo de fermentação foi modelado usando Python como linguagem de computação. Um método de cálculo numérico foi escolhido para o qual milhões de combinações de valores de parâmetros de entrada foram avaliadas em paralelo. O cálculo continuava até os variáveis de estado foram constantes para todas as combinações de valores de parâmetros de entrada.Fermentation process calculation method was modeled using Python as a computing language. A numerical calculation method was chosen for which millions of combinations of input parameter values were evaluated in parallel. The calculation continued until the state variables were constant for all combinations of input parameter values.

ResultadosResults

Os resultados do cálculo mostraram as faixas para asThe calculation results showed the ranges for the

78/91 melhores condições de fermentação, otimizando a produtividade volumétrica e minimizando os custos de matéria-prima. Como ponto de referência para avaliar o desempenho da fermentação extrativa, foi feito primeiro uma simulação para a fermentação convencional, ou seja, sem solvente como agente extrator.78/91 better fermentation conditions, optimizing volumetric productivity and minimizing raw material costs. As a reference point for evaluating the performance of extractive fermentation, a simulation was first carried out for conventional fermentation, that is, without solvent as an extracting agent.

Fermentação convencionalConventional fermentation

Fermentações sem solvente também foram simuladas usando dimensões e suposições iguais para permitir a comparação com fermentação com a proposta tecnologia de extração aplicada. Neste caso, três parâmetros de entrada foram variados: a proporção de licor hidrolitico no mosto, a concentração final de substrato no mosto de alimentação e a temperatura da fermentação.Solvent-free fermentations were also simulated using equal dimensions and assumptions to allow comparison with fermentation with the proposed applied extraction technology. In this case, three input parameters were varied: the proportion of hydrolytic liquor in the must, the final concentration of substrate in the feed must and the temperature of the fermentation.

Os resultados mostraram que a otimização da taxa de produção volumétrica, e a minimização dos custos de matéria-prima, ambos dependem da razão entre caldo clarificado e licor hidrolitico e da concentração de substrato. Porque o resfriamento foi fornecido convencionalmente para esta fermentação, a quantia de inibidores no mosto final foi o único fator limitador para a fermentação. Para baixas frações de licor hidrolitico, a taxa de crescimento foi suficientemente alta para prevenir perda total da levedura por diluição do meio.The results showed that the optimization of the volumetric production rate, and the minimization of raw material costs, both depend on the ratio between clarified broth and hydrolytic liquor and on the substrate concentration. Because cooling was conventionally provided for this fermentation, the amount of inhibitors in the final wort was the only limiting factor for fermentation. For low fractions of hydrolytic liquor, the growth rate was high enough to prevent total loss of yeast by diluting the medium.

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Para mosto contendo apenas suco, as taxas de produção volumétricas substrato de substratos foram maximizadas usando uma concentração em torno de 24 reduziram conseqüentemente as (volumétrico). Embora substrato, o rendimento meramente 53% do alta de biomassa custo de de taxas máximoFor wort containing only juice, the substrate volumetric production rates of substrates were maximized using a concentration around 24, consequently reduced the (volumetric). Although substrate, the yield merely 53% of the high biomass cost of maximum fees

Concentrações mais altas taxa de de do crescimento produção de etanol na concentração total (dados não teórico devido a em detrimento de etanol.Higher concentrations of growth rate of ethanol production at total concentration (non-theoretical data due to the detriment of ethanol.

substrato por volume de ideal de 24% de demonstrados) foi uma produção mais etanol produzido foi menor apenas para concentrações de açúcares alcançando menos que 20 para ambos os substratos fermentação de mais baixas usados nas simulações dos valores calculados mas não menores convencional e fermentação extrativa. As concentrações mais altas de substratos causaram conversão incompleta de diminuiu o rendimento geral, relacionado à produção por custo de açúcares, e, portanto, que está diretamente substrato.ideal substrate by volume of 24% demonstrated) was a production plus ethanol produced was lower only for concentrations of sugars reaching less than 20 for both lower fermentation substrates used in the simulations of the calculated values but not less conventional and extractive fermentation. The higher concentrations of substrates caused incomplete conversion and decreased the overall yield, related to the production by cost of sugars, and, therefore, that is directly substrate.

Para fermentações convencionais, as proporções de caldo hidrolitico não podiam ser maiores do que 2% e temperaturas de fermentação ideais para taxas de produção volumétrica ideal foram aproximadamente 32° C, enquanto que para um menor custo de substrato, as temperaturas ideais foram mais altas perto de 37°C.For conventional fermentations, the proportions of hydrolytic broth could not be greater than 2% and ideal fermentation temperatures for ideal volumetric production rates were approximately 32 ° C, while for a lower substrate cost, the ideal temperatures were higher near 37 ° C.

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Fermentação extrativaExtractive fermentation

Para fermentações com solvente, a taxa do fluxo do solvente foi usada como um quarto parâmetro independente e expresso como taxa de diluição de solvente sobre o volume 5 aquoso.For solvent fermentations, the solvent flow rate was used as a fourth independent parameter and expressed as the solvent dilution rate over the aqueous volume.

Resultados mostraram a dependência da taxa de produção volumétrica e os custos de substrato por volume de etanol produzido, como taxa de diluição mosto final foi a da proporção do caldo do solvente. A quantidade um fator limitador para hidrolitico e de inibidores o desempenho da no da fermentação para qualquer taxa de diluição de solvente dada, causando depleção de levedura para altas concentrações destes inibidores, mas não tão grave como no caso da fermentação convencional.Results showed the dependence on the volumetric production rate and the substrate costs per volume of ethanol produced, as the final must dilution rate was the proportion of the solvent broth. The amount is a limiting factor for hydrolytic and inhibitors the performance of the fermentation level for any given solvent dilution rate, causing yeast depletion for high concentrations of these inhibitors, but not as severe as in the case of conventional fermentation.

Outro fator limitador foi o resfriamento oferecido pelo solvente. Para baixas taxas de diluição de solvente, ambas as taxas de produções volumétricas, e a produção por custo de substrato entraram em colapso devido ao resfriamento insuficiente. Acima de uma taxa de diluição deAnother limiting factor was the cooling offered by the solvent. For low solvent dilution rates, both volumetric yield rates, and substrate cost production have collapsed due to insufficient cooling. Above a dilution rate of

0.25h_1 o solvente forneceu resfriamento suficiente para0.25h _1 the solvent provided sufficient cooling to

todas as every composições do mosto. wort compositions. Com With taxas de taxes of diluição do dilution of solvente solvent maiores, as taxas higher, the rates de in produção production volumétrica volumetric aumentaram increased devido à remoção due to removal de in etanol e ethanol and inibidores inhibitors

provenientes do caldo hidrolitico.from the hydrolytic broth.

E ainda mais, as taxasWhat's more, rates

81/91 aumentadas de diluição do solvente permitiram que frações mais altas de hidrolisado fossem fermentadas e diminuiram o custo mínimo de substrato, embora mesmo a taxa de diluição de l_h não foi suficiente para viabilizar a fermentação de um hidrolisado puro. Entretanto, as consequências econômicas de altas taxas de diluição de solvente, em termos de custos de operação e energia, não foram calculadas e são propensas a aumentar o total de custos da produção, limitando assim a viabilidade do uso de taxas muito altas de diluição do solvente.81/91 increased dilution of the solvent allowed higher fractions of hydrolyzate to be fermented and decreased the minimum substrate cost, although even the dilution rate of 1h was not sufficient to enable the fermentation of a pure hydrolyzate. However, the economic consequences of high solvent dilution rates, in terms of operating and energy costs, have not been calculated and are likely to increase total production costs, thus limiting the feasibility of using very high solvent dilution rates. solvent.

Para a produção por custo de substrato, com o suco sendo três vezes mais caro que o hidrolisado, uma composição otimizada de mosto foi encontrada, diferente para cada taxa de diluição de solvente.For substrate cost production, with the juice being three times more expensive than the hydrolyzate, an optimized wort composition was found, different for each solvent dilution rate.

Para uma composição de mosto com a proporção de caldo hidrolítico fixo a 30%, concentrações de substrato acima de 20% requeriam consideráveis taxas de diluição de solventes para obter altas taxas de produção volumétrica. Para taxas de produção volumétrica, diferentes concentrações otimizadas de substrato foram encontradas para diferentes taxas de diluição de solventes. Por outro lado, custos mínimos de substrato foram apenas obtidos para concentrações mínimas de substratos e diminuíram levemente com a taxa de diluição de solvente acima do ápice daFor a wort composition with a proportion of hydrolytic broth fixed at 30%, substrate concentrations above 20% required considerable solvent dilution rates to obtain high volumetric production rates. For volumetric production rates, different optimized substrate concentrations were found for different solvent dilution rates. On the other hand, minimal substrate costs were only obtained for minimum concentrations of substrates and decreased slightly with the solvent dilution rate above the apex of the

82/91 provisão do resfriamento.82/91 provision of cooling.

Para esta mesma proporção de caldo hidrolitico fixo aFor this same proportion of hydrolytic broth fixed to

30%, mostos com concentrações de substrato mais elevadas geraram taxas de fermentação mais altas e elevaram a 5 produção de calor por atividade metabólica.30%, musts with higher substrate concentrations generated higher fermentation rates and increased heat production by metabolic activity.

Consequentemente, taxas de diluição de solventes mais altas foram necessárias para fornecer resfriamento suficiente para concentrações mais altas de substratos.Consequently, higher solvent dilution rates were necessary to provide sufficient cooling for higher concentrations of substrates.

Para a taxa de produção volumétrica, uma concentração otimizada de substrato foi encontrada a um porcentagem mais baixa do que para a fermentação convencional uma concentração otimizada de substrato rendimento ou mínimo custo de substrato, que e difere de para máximo foram ótimos ambos a mais baixa concentração de substrato de 15%.For the rate of volumetric production, an optimized concentration of substrate was found at a lower percentage than for conventional fermentation an optimized concentration of substrate yield or minimum cost of substrate, which and differs from the maximum were both the lowest concentration 15% substrate.

Como também foi notado para fermentações sem remoção de inibidores e em regime contínuo, no trabalho de Horvath et al. 2001 e incorporado aqui em sua totalidade por referência, perca total de fermento devido a taxa de diluição do meio já ocorre a relativamente baixos níveis de concentrações de inibidores.As was also noted for fermentations without removal of inhibitors and in a continuous regime, in the work of Horvath et al. 2001 and incorporated here in its entirety by reference, total yeast loss due to the dilution rate of the medium already occurs at relatively low levels of inhibitor concentrations.

O efeito tóxico sinérgico da baunilha, ácido acético e furfural diminuiu a concentração de furfural para a qual a taxa de redução de furfural foi ao máximo. A inibição do crescimento foi um fator limitador para taxas máximas deThe synergistic toxic effect of vanilla, acetic and furfural acid decreased the furfural concentration for which the furfural reduction rate was at its maximum. Growth inhibition was a limiting factor for maximum rates of

83/91 conversão de inibidores específicos por redução metabólica.83/91 conversion of specific inhibitors by metabolic reduction.

Contudo foi provado, por meio de modelagem e simulação, que a fermentação extrativa em regime continua, permitiu uma extração simultânea in-situ de inibidores presentes no hidrolisado e etanol como produto de fermentação, bem como resfriamento efetivo do processo de fermentação pelo mesmo agente extrativo.However, it was proved, through modeling and simulation, that the continuous extractive fermentation allowed a simultaneous in-situ extraction of inhibitors present in the hydrolyzate and ethanol as a fermentation product, as well as effective cooling of the fermentation process by the same extractive agent. .

Para a fermentação extrativa modelada, o furfural migrou para a fase orgânica como ocorreu com a baunilha e ácido acético, cada um com diferentes coeficientes de partição dependendo das concentrações de etanol no sistema, melhorando as taxas de conversão de inibidor, aumento de taxas e taxas de produção de etanol, especialmente a taxas de solvente aumentadas.For modeled extractive fermentation, furfural migrated to the organic phase as with vanilla and acetic acid, each with different partition coefficients depending on the ethanol concentrations in the system, improving inhibitor conversion rates, increased rates and rates ethanol production, especially at increased solvent rates.

Assim, o modelo combinou remoção de diversas inibidores por extração e conversão biológica, ambas afetada por temperaturas e composição do caldo de fermentação. Diferentes valores para a proporção de caldo hidrolitico no mosto, concentração de substrato, temperaturas alvo de fermentação e taxas de diluição de solvente foram avaliadas, enquanto incluindo a geração de calor mecânico e metabólico, efeito de inibição pelo produto etanol, coeficientes de partição dos diferentes compostos e efeitos de temperatura na conversão cinéticaThus, the model combined removal of several inhibitors by extraction and biological conversion, both affected by temperatures and composition of the fermentation broth. Different values for the proportion of hydrolytic broth in the wort, substrate concentration, target fermentation temperatures and solvent dilution rates were evaluated, including the generation of mechanical and metabolic heat, inhibition effect by the ethanol product, partition coefficients of the different compounds and temperature effects on kinetic conversion

84/91 inibidora. Deste modo, efeitos combinatorics no desempenho de diversas chaves de indicadores de fermentação foram revelados.84/91 inhibitor. In this way, combinatorics effects on the performance of several keys of fermentation indicators were revealed.

A taxa de diluição do solvente precisava apenas ser alto o suficiente para assegurar o crescimento de levedura tão rápido quanto a taxa de diluição da fase aquosa, sobre os três fermentadores, e providenciando refrigeração suficiente do meio de fermentação. Antes de chegar a condições de 'washout' do fermento, devido a altas concentrações de inibidor ou de substrato, baixas taxas de conversão de açúcar causaram perda de substrato e baixas taxas de produção de etanol.The dilution rate of the solvent needed only to be high enough to ensure yeast growth as fast as the dilution rate of the aqueous phase, over the three fermenters, and providing sufficient cooling of the fermentation medium. Before reaching yeast washout conditions, due to high concentrations of inhibitor or substrate, low sugar conversion rates caused loss of substrate and low ethanol production rates.

As taxas otimizadas de diluição de solvente reduziram de melhor forma a inibição para ambos, inibidores provenientes de caldo hidrolitico e o produto etanol, melhorando as taxas de fermentação.The optimized solvent dilution rates reduced the inhibition better for both, inhibitors from hydrolytic broth and the product ethanol, improving fermentation rates.

No contexto de diferentes regimes de fermentações, as concentrações de inibidor podem ser mantidas baixas em relação à concentração de biomassa para fermentação em regime batelada do licor hidrolitico, por controle da taxa de alimentação do mosto para fermentação em regimes batelada-alimentada ou contínua, e taxa de diliução da fase orgânica no caso da fermentação contínua como apresentada nesta simulação. Porém, para fermentações em regimeIn the context of different fermentation regimes, the inhibitor concentrations can be kept low in relation to the biomass concentration for hydrolytic liquor batch fermentation, by controlling the wort feeding rate for fermentation in batch-fed or continuous regimes, and dilution rate of the organic phase in the case of continuous fermentation as presented in this simulation. However, for fermentations

85/91 batelada ou continuo sem a aplicação de uma fase orgânica, isto não é possível. Consequentemente, taxas de conversão de furfural e baunilha foram mais altas na fermentação extrativa apresentada do que na fermentação continua convencional, permitindo a fermentação de frações de caldo hidrolitico no mosto mais altas, gerando taxas de produção volumétricas mais altas e diminuindo os custos totoal de substrato.85/91 batched or continued without the application of an organic phase, this is not possible. Consequently, conversion rates of furfural and vanilla were higher in the extractive fermentation presented than in conventional continuous fermentation, allowing the fermentation of fractions of hydrolytic broth in the must, generating higher volumetric production rates and decreasing the totoal costs of substrate. .

Deve-se ainda notar que as concentrações de inibidores provenientes do caldo hidrolitico foram pressupostos a não diminuir durante a preparação do mosto, que representa um cenário piorado considerando a alta volatilidade de inibidores como ácido acético. Dependendo da fonte de licor hidrolitico e do método e severidade da hidrólise da matéria-prima, pode-se esperar que as concentrações finais de inibidores no alimento do mosto são mais baixas que os valores presumidos neste trabalho, levando a resultados até mesmo mais favoráveis. Ao todo, pode ser concluído que para fermentação contínua, o sistema de fermentação extrativa duas-fases líquido-a-líquido é uma integração eficiente e uma promissora integração de redução in-situ da concentração de inibidores, recuperação do produto e resfriamento da fermentação.It should also be noted that the concentrations of inhibitors from the hydrolytic broth were assumed not to decrease during the preparation of the wort, which represents a worse scenario considering the high volatility of inhibitors such as acetic acid. Depending on the source of hydrolytic liquor and the method and severity of the hydrolysis of the raw material, it can be expected that the final concentrations of inhibitors in the wort food are lower than the values assumed in this work, leading to even more favorable results. Altogether, it can be concluded that for continuous fermentation, the liquid-to-liquid two-phase extractive fermentation system is an efficient integration and a promising integration of in-situ reduction of inhibitor concentration, product recovery and fermentation cooling.

Resumoresume

86/9186/91

Os ésteres orgânicos, mais conhecidos como biodieseis, à base de ácidos graxos como, por exemplo, ácido ricinoléico ou ácido oléico, são os solventes mais adequados para ser empregados no processo de fermentação 5 extrativa conforme revelado pela presente invenção, uma vez que possuem características fundamentais, tais como:Organic esters, better known as biodiesels, based on fatty acids such as, for example, ricinoleic acid or oleic acid, are the most suitable solvents to be used in the extractive fermentation process as revealed by the present invention, since they have characteristics fundamental principles such as:

> Biocompatibilidade - o solvente tem uma alta biocompatibilidade, de importância vital para o desempenho do bioprocesso. 0 tamanho da molécula sendo maior do que 12 10 carbonos impede a miscibilidade da molécula com a parede celular do fermento e, assim, garante a biocompatibilidade, desde que não há grupos especiais na molécula que podem tornar o mesmo em componente tóxico;> Biocompatibility - the solvent has a high biocompatibility, which is vital for the performance of the bioprocess. The size of the molecule being greater than 12 10 carbons prevents the miscibility of the molecule with the yeast cell wall and, thus, guarantees biocompatibility, since there are no special groups in the molecule that can turn it into a toxic component;

Viscosidade, ponto de estrutura, contendo pelo mínimo um éster metílico, etílico ou ebulição e densidade - A uma ligação dupla por ser propílico, faz com que a superfície de interação molecular do solvente na terceira dimensão, resultando em uma limitada e ambas são tamanho da de pontes moléculas seja limitada viscosidade densidade baixa em comparação propriedades favoráveis. Por molécula, a superfície da mesma de hidrogênio que garantem um ponto fase aquosa, outro lado, o e a quantidade podem ser formados entre as de ebulição alto e bastante diferenciado do produto da fermentação e dos demaisViscosity, structure point, containing at least one methyl, ethyl or boiling and density ester - Due to a double bond because it is propyl, it makes the molecular interaction surface of the solvent in the third dimension, resulting in a limited one and both are size of of bridges molecules are limited to low density viscosity compared to favorable properties. Per molecule, the surface of the same hydrogen that guarantees an aqueous phase point, on the other hand, the and the quantity can be formed between those of high boiling and quite differentiated from the fermentation product and from the others

87/91 componentes voláteis, permitindo a recuperação do produto e do próprio solvente de forma economicamente viável;87/91 volatile components, allowing the recovery of the product and the solvent itself in an economically viable way;

> Polaridade - A polaridade da molécula, principalmente determinada pelo tamanho da cadeia principal da molécula e pelos grupos e ligações polares, promove a extração de substâncias polares e apoiares (inibidores e produtos como etanol, butanol, acetona entre outros.), mas justamente não as substâncias que são tão polares como os açúcares (substrato). Por razões ambientais, o solvente não pode dissolver na fase aquosa. Por outro lado, água pode ser absorvida na fase orgânica e assim concentrar o substrato. Muitos possíveis grupos polares, como OH, NH3, ésteres, entre outros e combinações dos mesmos podem formar uma polaridade ideal.> Polarity - The polarity of the molecule, mainly determined by the size of the main chain of the molecule and by the polar groups and bonds, promotes the extraction of polar and supportive substances (inhibitors and products such as ethanol, butanol, acetone, among others.), But just not substances that are as polar as sugars (substrate). For environmental reasons, the solvent cannot dissolve in the aqueous phase. On the other hand, water can be absorbed in the organic phase and thus concentrate the substrate. Many possible polar groups, such as OH, NH3, esters, among others and combinations of them can form an ideal polarity.

> Coeficientes de partição - capacidades de absorção e coeficientes de partição altas para o produto e inibidores provenientes do mosto e seletividade baixa para substrato.> Partition coefficients - absorption capacities and high partition coefficients for the product and inhibitors from the wort and low selectivity for substrate.

> Viabilidade econômica - a alta disponibilidade no mercado local e baixo preço da sua matéria-prima, no caso de biodieseis um óleo vegetal como óleo de mamona, são fatores muito importantes para que tal molécula possa ser economicamente viável ou não, além da opção de reutilização do solvente por outros fins, como, por exemplo,> Economic viability - the high availability in the local market and the low price of its raw material, in the case of biodiesels, a vegetable oil such as castor oil, are very important factors for this molecule to be economically viable or not, in addition to the option of solvent reuse for other purposes, such as, for example,

88/91 biocombustível;88/91 biofuel;

> Toxicidade - a baixa toxicidade é importante tanto para operários no local da utilização do solvente, no caso a usina, como para a eventual introdução no meioambiente, no caso que frações mínimas do solvente misturam com um fluxo de saido do processo que será exposto ao meioambiente, por exemplo, a vinhaça ou célula sangrada.> Toxicity - low toxicity is important both for workers at the site where the solvent is used, in this case the plant, and for the eventual introduction into the environment, in the case that minimal fractions of the solvent mix with an outflow of the process that will be exposed to the environment, for example, vinasse or bled cell.

> Emulsão - não formar emulsões (estáveis) durante a fermentação e/ou processos downstream;> Emulsion - do not form (stable) emulsions during fermentation and / or downstream processes;

> Estabilidade química do solvente - o solvente não pode degradar o produto ou causar sua degradação, ou ainda reagir com o produto para formar outro, independente da utilização de altas temperaturas nos processos de recuperação ou da presença de componentes reativos, como os ácidos, no meio fermentative;> Chemical stability of the solvent - the solvent cannot degrade the product or cause its degradation, or even react with the product to form another one, regardless of the use of high temperatures in the recovery processes or the presence of reactive components, such as acids, in the fermentative medium;

Em sistema bifásico vale para ambos solventes, óleo de mamona e biodiesel em base deste óleo, para maiores concentrações de etanol na fase aquosa, os coeficientes de partição dos principais inibidores são mais elevados e a razão entre absorção de etanol e água também é maior, especialmente para biodiesel. Biodiesel absorve relativamente mais água, resultando em maior capacidade de concentração de substrato no meio da fermentação.In a two-phase system, it applies to both solvents, castor oil and biodiesel based on this oil, for higher concentrations of ethanol in the aqueous phase, the partition coefficients of the main inhibitors are higher and the ratio between ethanol and water absorption is also higher, especially for biodiesel. Biodiesel absorbs relatively more water, resulting in a greater capacity for substrate concentration in the middle of fermentation.

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As fermentações em fermentadores de IL em regime batelado, mostraram o efeito positivo do uso de biodiesel como solvente na fermentação extrativo líquido-líquido, na presença de inibidores no mosto. As taxas de produtos presença taxa de sem efeito do solvente crescimento volumétrica, inibidores convencional furfural, baunilha e redução de furfural inibidor foram mais ácido acético baunilha em elevadas na diminuindo a fase lag e aumentando a e a produtividade específica e enquanto mesmas concentrações destes frequentemente morte completaThe fermentations in IL fermenters in batch mode showed the positive effect of using biodiesel as a solvent in the liquid-liquid extractive fermentation, in the presence of inhibitors in the must. The rates of products presence rate of no effect of solvent volumetric growth, conventional furfural inhibitors, vanilla and reduction of furfural inhibitor were more vanilla acetic acid in decreasing the lag phase and increasing the specific productivity and while the same concentrations of these often complete death

Uma série inibibem fermentação diminuindo a viabilidade e até levando a do de modelo cinético inóculo antes do mesmo sair da fase lag.A series inhibits fermentation, decreasing the viability and even leading to the inoculum kinetic model before it leaves the lag phase.

experimentos permitiu a construção de da redução de furfural presença de ácido acético e para concentrações destes outros, as taxas de taxa de crescimento e um várias e baunilha, temperaturas na inibidores. O conversão de modelo descreve, entre furfural e baunilha, a taxa de produção de etanol em função da temperatura, substrato e concentração de inibidores e produto, ajustado por estimação de parâmetros e validado para várias possíveis combinações chaves das variáveis independentes envolvidas.experiments allowed the construction of the reduction of furfural presence of acetic acid and for concentrations of these others, the rates of growth rate and a various and vanilla, temperatures in the inhibitors. The model conversion describes, between furfural and vanilla, the ethanol production rate as a function of temperature, substrate and concentration of inhibitors and product, adjusted by parameter estimation and validated for several possible key combinations of the independent variables involved.

A modelagem e simulação de um sistema integrado de fermentação extrativa líquido-líquido com recuperação deThe modeling and simulation of an integrated liquid-liquid extractive fermentation system with

90/91 solvente e resfriamento do meio de fermentação pelo próprio solvente da presente invenção, permitiram a otimização da taxa de diluição de solvente, a concentração de substrato, a temperatura alvo da fermentação e a fração de caldo hidrolitico. Utilizando um modelo de custos relativos das matérias primas, obtém uma relação importante entre os custos da mistura do mosto e a produtividade do processo, baseado no rendimento total do mesmo e admitindo o limite para a utilização de caldo hidrolitico. Sobretudo, mostrouse a vantagem da utilização do biodiesel como agente extratante de inibidores proveniente de caldo hidrolitico, etanol e agente de resfriamento para o processo fermentative, permitindo a fermentação de maiores frações de caldo hidrolitico e elevando a produtividade e rendimento do processo integrado.90/91 solvent and cooling of the fermentation medium by the solvent of the present invention, allowed the optimization of the solvent dilution rate, the substrate concentration, the target temperature of the fermentation and the hydrolytic broth fraction. Using a model of relative costs of raw materials, you obtain an important relationship between the costs of the mixture of the must and the productivity of the process, based on the total yield of the same and assuming the limit for the use of hydrolytic juice. Above all, the advantage of using biodiesel as an extracting agent of inhibitors from hydrolytic broth, ethanol and cooling agent for the fermentative process was shown, allowing the fermentation of larger fractions of hydrolytic broth and increasing the productivity and yield of the integrated process.

Assim, embora tenham sido mostrados apenas algumas modalidades e modelos da presente invenção, será entendido que várias omissões, substituições e alterações no processo de fermentação extrativa para mostos provenientes de processos hidroliticos de matéria-prima ligno-celulósica, amilácea, carboidratos diretamente extraiveis, melaços fortemente esgotados com alto conteúdo de inibidores naturais como, entre outros, biotina, ou mostos similares, ricos em carboidratos e com objetivos de fermentação, daThus, although only a few modalities and models of the present invention have been shown, it will be understood that several omissions, substitutions and alterations in the extractive fermentation process for musts originating from hydrolytic processes of ligno-cellulosic raw material, starch, directly extractable carbohydrates, molasses heavily depleted with a high content of natural inhibitors such as, among others, biotin, or similar musts, rich in carbohydrates and for fermentation purposes,

91/91 presente invenção, que emprega um solvente capaz de remover produtos e inibidores simultaneamente, alem de resfriar o meio, podem ser feitas por um técnico versado no assunto, sem se afastar do espírito e escopo da presente invenção.The present invention, which employs a solvent capable of removing products and inhibitors simultaneously, in addition to cooling the medium, can be made by a person skilled in the art, without departing from the spirit and scope of the present invention.

É expressamente previsto que todas as combinações ou omissões dos elementos que desempenham a mesma função substancialmente da mesma forma, para alcançar resultados semelhantes, estão dentro do escopo da invenção. Substituições de elementos de uma modalidade descrita por 10 outra ou omissões dos mesmos são também totalmente pretendidas e contempladas.It is expressly provided that all combinations or omissions of the elements that perform the same function in substantially the same way, to achieve similar results, are within the scope of the invention. Substitutions for elements of a modality described by another 10 or omissions thereof are also fully intended and contemplated.

Também é preciso entender que os desenhos não estão necessariamente em escala, mas que eles são apenas de natureza conceituai. A intenção é, portanto, ser limitada, 15 tal como indicado pelo escopo das reivindicações anexas.It is also necessary to understand that the drawings are not necessarily to scale, but that they are only of a conceptual nature. The intention is therefore to be limited, 15 as indicated by the scope of the appended claims.

Claims (2)

1. Processo de fermentação extrativa caracterizado por ser executado de forma contínua, batelada ou batelada alimentada e compreender as seguintes etapas:1. Extractive fermentation process characterized by being carried out continuously, batch or batch fed and comprising the following steps: a) Entrada de um mosto selecionado dentre hidrolisados de material ligno-celulósicos, amiláceos, carboidratos diretamente extraíveis e mostos similares ricos em carboidratos no biorreator;a) Entrance of a must selected from hydrolysates of ligno-cellulosic material, starches, directly extractable carbohydrates and similar musts rich in carbohydrates in the bioreactor; b) Entrada no biorreator de um inóculo por reciclagem ou reativação por tratamento aeróbico, tratamento ácido e/ou alimentação de nutrientes e ser opcional;b) Entry into the bioreactor of an inoculum by recycling or reactivation by aerobic treatment, acid treatment and / or nutrient feeding and be optional; c) Injeção do biodiesel de óleo de mamona;c) Injection of castor oil biodiesel; d) Remoção do biodiesel e a remoção dos inibidores e/ou dos produtos pelo biodisel por decantação ou centrifugação realizada durante ou após a fermentação;d) Removal of biodiesel and removal of inhibitors and / or products by biodiesel by decantation or centrifugation carried out during or after fermentation; e) Recuperação do biodisel por aquecimento ou evaporação a vácuo e re-introdução no biorreator;e) Recovery of biodiesel by heating or vacuum evaporation and re-introduction to the bioreactor; f) Purificação da fase vapor por colunas de separação ou destilação e retificação;f) Purification of the vapor phase by separation or distillation and rectification columns; g) Remoção da fase aquosa do biorreator por bombeamento;g) Removal of the aqueous phase from the bioreactor by pumping; h) Recuperação do micro-organismo ser opcional e por centrifugação, ultrafiltração, separação por h) Recovery of the microorganism is optional and by centrifugation, ultrafiltration, separation by Petição 870190101589, de 09/10/2019, pág. 4/9Petition 870190101589, of 10/09/2019, p. 4/9 2/2 membrana ou qualquer método de separação e concentração de células.2/2 membrane or any method of separation and concentration of cells.
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