BR112013033713B1 - processo para fermentação anaeróbica de gás de síntese - Google Patents

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Processos Para Fermentar Gás de Síntese e Para Melhorar o Coeficiente Volumétrico de Transferência de Massa do CO e Biorreatores. Propõem-se um processo e aparelho eficientes para melhorar a transferência de massa do CO. O processo inclui introduzir gás de síntese em um vaso reator através de um distribuidor de gás situado abaixo do nível de líquido no vaso reator. O gás de síntese é introduzido a uma taxa de fluxo eficiente para manter a pressão dentro do vaso reator em ao menos cerca de 1 psig. Aplica-se uma energia de agitação de cerca de 0,01 a cerca de 12 kWatts/m3 do meio. O processo é eficiente para proporcionar um coeficiente volumétrico de transferência de massa do CO de cerca de 100 a cerca de 1.500 por hora.

Description

RELATÓRIO DESCRITIVO
[0001] O presente pedido reivindica o benefício dos Pedidos Provisórios dos Estados Unidos ne 61/571.564 e 61/571.565, ambos depositados no dia 30 de junho de 2011, 61/573.845, depositado no dia 13 de setembro de 2011, todos os quais se incorporam ao presente documento na íntegra por referência.
[0002] Propõem-se um processo e aparelho eficientes para melhorar a transferência de massa do monóxido de carbono (CO). Mais especificamente, fatores que incluem a qualidade do gás de síntese, o espargimento do gás de síntese, a pressão no reator e a mistura são balanceados a fim de proporcionar certo coeficiente volumétrico de transferência de massa do CO durante a fermentação do gás de síntese.
ANTECEDENTES
[0003] Micro-organismos anaeróbicos produzem etanol a partir do monóxido de carbono (CO) por meio da fermentação de substratos gasosos. A fermentação usando micro-organismos anaeróbicos do gênero Clostridium produz etanol e outros produtos úteis. Por exemplo, a Patente dos Estados Unidos m 5.173.429 descreve o Clostridium Ijungdahlii, ATCC m 49587, um micro-organismo anaeróbico que produz etanol e acetato a partir do gás de síntese. A Patente dos Estados Unidos m 5.807.722 descreve um método e aparelho para converter gases queimados em ácidos orgânicos e álcoois usando o Clostridium Ijungdahlii, ATCC na 55380. A Patente dos Estados Unidos m 6.136.577 descreve um método e aparelho para converter gases queimados em etanol usando o Clostridium Ijungdahlii, ATCC na 55988 e 55989. etanol usando o Clostridium ljungdahlii, ATCC ns 55988 e 55989.
O CO geralmente é provido à fermentação como parte de um substrato gasoso na forma de um gás de síntese. A gaseificação de materiais carbonados para produzir gás pobre ou gasogênio ou gás de síntese com monóxido de carbono e hidrogênio é bem conhecida na técnica. Normalmente, esse processo de gaseificação envolve a oxidação parcial ou oxidação com ar controlado de um material carbonado em que uma quantidade subestequiométrica de oxigênio é alimentada ao processo de gaseificação para promover a produção de monóxido de carbono, conforme descreve o documento WO 2009/ 154788.
A fermentação de substratos gasosos pode ser desafiadora porque ao menos parte do substrato gasoso deve dissolver em um caldo de fermentação aquoso antes que o substrato possa ser metabolizado pela cultura microbiana. Fermentações nas quais o substrato gasoso fornece o carbono e a fonte de energia para o micro-organismo são particularmente desafiadoras por causa da grande quantidade de substrato que precisa ser solubilizada no caldo de fermentação antes de ocorrer o metabolismo. Substratos como o CO, que têm baixa solubilidade em um caldo de fermentação aquoso, requerem uma transferência de massa altamente eficiente em um caldo de fermentação aquoso já que o CO proporciona a fonte de carbono para a fermentação anaeróbi- ca. Tentativas de melhorar a transferência de massa do CO são descritas nas Patentes dos Estados Unidos ns 5.972.661 e 7.201.884 e no documento WO 2011/028137.
SUMÁRIO
Propõem-se métodos e aparelhos eficientes para melhorar o coeficiente volumétrico de transferência de massa do CO durante a fermentação do gás de síntese. Em um aspecto, propõe-se um processo para a fermentação do gás de síntese que inclui introduzi-lo em um vaso reator através de um distribuidor de gás ou injetor de gás. O distribuidor de gás fica abaixo do nivel de líquido no vaso reator e o gás de síntese é introduzido a uma taxa de fluxo eficiente para manter a pressão dentro do vaso reator em ao menos cerca de 1 psig e, em outro 5 aspecto, em ao menos cerca de 10 psig. O gás de síntese tem uma razão molar CO/CO2 de ao menos cerca de 0,75. Aplica-se energia de agitação ao vaso reator em uma quantidade de cerca de 0,01 a cerca de 12 kWatts/m3 do meio. O processo é eficiente para obter um rendimento espaço-tempo (STY) de ao menos cerca de 10 g de etanol/(L-dia) e um 10 coeficiente volumétrico de transferência de massa do CO de cerca de 100 a cerca de 1.500 por hora.
Em outro aspecto, propõe-se um processo para a fermentação do gás de síntese que inclui introduzi-lo em um vaso reator através de um distribuidor de gás. O distribuidor de gás fica abaixo do nível de 15 líquido no vaso reator e o gás de síntese é introduzido a uma taxa de fluxo eficiente para manter a pressão dentro do vaso reator em ao menos cerca de 1 psig e, em outro aspecto, em ao menos cerca de 10 psig. O gás de síntese tem uma razão molar CO/CO2 de ao menos cerca de 0,75, e, em outro aspecto, o gás de síntese tem um teor de CO de ao 20 menos cerca de 20% em mols. O gás de síntese entra em contato com ao menos um rotor de dispersão do gás situado sobre o distribuidor de gás, e o gás de síntese é misturado a bactérias acetogénicas por ao menos um rotor de mistura situado sobre o rotor de dispersão do gás. O rotor de dispersão do gás e o rotor de mistura conectam-se operacio- 25 nalmente a um agitador por meio de um eixo motor. O agitador proporciona uma entrada de energia de agitação de cerca de 0,3 a cerca de 12 kWatts/m3, em outro aspecto, de cerca de 0,7 a cerca de 12 kWatts/m3 e, em outro aspecto, de cerca de 0,9 a cerca de 12 kWatts/m3 do meio. O processo é eficiente para proporcionar um coeficiente volumétrico de 30 transferência de massa do CO de cerca de 100 a cerca de 1.500 por hora.
Em um aspecto, o distribuidor de gás inclui orifícios com 10 mm de diâmetro ou menos e, em outro aspecto, os orifícios têm 2,5 mm de diâmetro ou menos. O gás de síntese também pode ser introduzido a uma taxa de fluxo eficiente para proporcionar uma velocidade do gás de 25 m/s ou mais na saída dos orifícios e/ou queda de pressão ao longo dos orifícios do distribuidor de cerca de 0,5 a cerca de 2,5 psi.
Em outro aspecto, propõe-se um processo para melhorar o coeficiente volumétrico de transferência de massa do CO. O processo inclui introduzir o gás de síntese em um vaso reator através de um distribuidor de gás. O distribuidor de gás fica abaixo do nível de líquido no vaso reator e o gás de síntese é introduzido a uma taxa de fluxo eficiente para manter a pressão dentro do vaso reator em ao menos cerca de 1 psig e, em outro aspecto, em ao menos cerca de 10 psig. O gás de síntese tem uma razão molar CO/CO2 de ao menos cerca de 0,75, e, em outro aspecto, o gás de síntese tem um teor de CO de ao menos cerca de 20% em mols. O gás de síntese entra em contato com ao menos um rotor de dispersão do gás e um rotor de mistura. Normalmente, o rotor de dispersão do gás e o rotor de mistura conectam-se operacionalmente a um agitador por meio de um eixo motor. O agitador proporciona uma entrada de energia de agitação de cerca de 0,3 a cerca de 12 kWatts/m3, em outro aspecto, de cerca de 0,7 a cerca de 12 kWatts/m3 e, em outro aspecto, de cerca de 0,9 a cerca de 12 kWatts/m3 do meio. O processo é eficiente para proporcionar um coeficiente volumétrico de transferência de massa do CO de cerca de 100 a cerca de 1.500 por hora.
Providencia-se um biorreator com um alojamento que define um vaso reator, o vaso reator sendo eficiente para manter uma pressão de ao menos cerca de 1 psig e, em outro aspecto, de ao menos cerca de 10 psig. Um agitador é disposto ao menos em parte dentro do vaso reator e ao menos em parte abaixo do nível de líquido no vaso reator. O agitador conecta-se operacionalmente a um eixo motor, o agitador sendo eficiente para proporcionar uma entrada de energia de agitação de cerca de 0,3 a cerca de 12 kWatts/m3, em outro aspecto, de cerca de 0,7 a cerca de 12 kWatts/m3 e, em outro aspecto, de cerca de 0,9 a cerca de 12 kWatts/m3 do meio. Ao menos um rotor de mistura conecta-se operacionalmente ao eixo motor e fica abaixo do nivel de líquido do meio, e ao menos um rotor de dispersão do gás conecta-se operacionalmente ao eixo motor e fica abaixo do rotor de mistura. Um distribuidor de gás é disposto abaixo do rotor de dispersão do gás, o distribuidor de gás incluindo orifícios com cerca de 10 mm de diâmetro ou menos que são eficientes para produzir uma velocidade do gás de cerca de 25 m/s ou mais na saída dos orifícios. O biorreator pode incluir ainda um compartimento de base disposto na extremidade inferior do vaso reator.
Em outro aspecto, providencia-se um biorreator com um a- lojamento que define um vaso reator, o vaso reator sendo eficiente para manter uma pressão de ao menos cerca de 1 psig e, em outro aspecto, de ao menos cerca de 10 psig. Um agitador é disposto ao menos em parte dentro do vaso reator e ao menos em parte abaixo do nível de líquido no vaso reator. O agitador conecta-se operacionalmente a um eixo motor, o agitador sendo eficiente para proporcionar uma entrada de energia de agitação de cerca de 0,3 a cerca de 12 kWatts/m3, em outro aspecto, de cerca de 0,7 a cerca de 12 kWatts/m3 e, em outro aspecto, de cerca de 0,9 a cerca de 12 kWatts/m3 do meio. Ao menos um rotor de mistura conecta-se operacionalmente ao eixo motor e fica abaixo do nível de líquido do meio, e ao menos um rotor de dispersão do gás conecta-se operacionalmente ao eixo motor e fica abaixo do rotor de mistura. Um distribuidor de gás é disposto abaixo do rotor de dispersão do gás, o distribuidor de gás incluindo orifícios com cerca de 10 mm de diâmetro ou menos que são eficientes para produzir uma velocidade do gás de cerca de 25 m/s ou mais na saída dos orifícios. O biorreator inclui ainda um compartimento de base na extremidade inferior do vaso reator, o compartimento de base incluindo um distribuidor do compartimento de base e um misturador do compartimento de base.
Em outro aspecto, propõe-se um processo para a fermentação do gás de síntese que inclui inocular bactérias acetogênicas em um meio contido no compartimento de base de um vaso reator, o meio preenchendo ao menos cerca de 75% do volume total do compartimento de base. As bactérias acetogênicas entram em contato com o gás de síntese por tempo o suficiente para produzir uma densidade celular de ao menos cerca de 5 gramas por litro. Adiciona-se o meio ao vaso reator a fim de alimentar certo nível de líquido ao vaso reator. O gás de síntese é introduzido no vaso reator através de um distribuidor de gás. O distribuidor de gás fica abaixo do nível de líquido no vaso reator. Introduz-se gás de síntese a uma taxa de fluxo eficiente para manter a pressão dentro do vaso reator em ao menos cerca de 1 psig e, em outro aspecto, cerca de 10 psig. O gás de síntese possui uma razão molar CO/CO2 de ao menos cerca de 0,75 e entra em contato com ao menos um rotor de dispersão do gás situado sobre o distribuidor de gás. O gás de síntese e as bactérias acetogênicas são misturados por ao menos um rotor de mistura situado sobre o rotor de dispersão do gás. Normalmente, o rotor de dispersão do gás e o rotor de mistura conectam-se operacionalmente a um agitador por meio de um eixo motor. A entrada de energia de agitação é de cerca de 0,3 a cerca de 12 kWatts/m3 do meio. O processo é eficiente para proporcionar um coeficiente volumétrico de transferência de massa do CO de cerca de 100 a cerca de 1.500 por hora.
Em outro aspecto, propõe-se um processo para a fermentação do gás de síntese que inclui inocular bactérias acetogênicas em um meio contido no compartimento de base de um vaso reator, o meio sendo eficiente para preencher ao menos cerca de 75% do volume total do compartimento de base. As bactérias acetogênicas entram em conta- to com o gás de síntese por tempo o suficiente para produzir uma densidade celular de ao menos cerca de 3 gramas por litro. Adiciona-se o meio ao vaso reator e mantém-se a densidade celular a cerca de 3 gramas por litro. O meio é adicionado até obter certo nível de líquido no 5 vaso reator. O gás de síntese é introduzido no vaso reator através de um distribuidor de gás. O distribuidor de gás fica abaixo do nível de líquido no vaso reator. Introduz-se gás de síntese a uma taxa de fluxo eficiente para manter a pressão dentro do vaso reator em ao menos cerca de 1 psig e, em outro aspecto, cerca de 10 psig. O gás de síntese possui uma 10 razão molar CO/CO2 de ao menos cerca de 0,75 e entra em contato com ao menos um rotor de dispersão do gás situado sobre o distribuidor de gás. O gás de síntese e bactérias acetogênicas são misturados por ao menos um rotor de mistura situado sobre o rotor de dispersão do gás. O rotor de dispersão do gás e o rotor de mistura conectam-se operacio- 15 nalmente a um agitador por meio de um eixo motor, o agitador propor-cionando uma entrada de energia de cerca de 0,3 a cerca de 12 kWatts/m3 do meio. O processo é eficiente para proporcionar um coeficiente volumétrico de transferência de massa do CO de cerca de 100 a cerca de 1.500 por hora.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
Os aspectos, traços e vantagens acima, bem como outros aspectos, traços e vantagens, dos vários aspectos do processo transpa-recerão melhor pela análise dos desenhos a seguir.
A Figura 1 ilustra uma vista em perspectiva de um biorrea- 25 tor.
As Figuras 2A e 2B ilustram uma vista de baixo de uma entrada/distribuidor de gás.
A Figura 3 ilustra uma vista em corte transversal de um distribuidor de gás.
As Figuras 4A e 4B ilustram vistas de cima e em corte transversal de um vaso reator com diferentes unidades de rotor.
A Figura 5 ilustra uma configuração alternativa do compar-timento de base do biorreator.
Caracteres de referência iguais indicam elementos iguais ao longo das várias vistas dos desenhos. Os versados na técnica perceberão que os elementos nas figuras foram ilustrados visando simplicidade e clareza e não necessariamente respeitam a proporção das dimensões reais. Por exemplo, as dimensões de alguns dos elementos nas figuras podem ser exageradas em relação às de outros para ajudar na compreensão dos vários aspectos do presente processo e aparelho. Ademais, elementos comuns e familiares úteis ou necessários em aspectos comercialmente viáveis geralmente não são ilustrados a fim de facilitar uma visão menos obscurecida desses vários aspectos.
DESCRIÇÃO DETALHADA
A descrição a seguir não deve ser interpretada de maneira limitante, pois foi elaborada com o mero objetivo de descrever os princípios gerais de concretizações exemplificativas. O âmbito da invenção deve ser determinado com referência às Reivindicações.
A eficiência da fermentação do gás de síntese melhora aper- feiçoando-se condições para que se aumente o coeficiente volumétrico de transferência de massa do CO. Propõem-se métodos e aparelhos eficientes para proporcionar um coeficiente volumétrico de transferência de massa do CO de cerca de 100 a cerca de 1.500 por hora, em outro aspecto, de cerca de 200 a cerca de 1.100 por hora, em outro aspeto, de cerca de 200 a cerca de 900 por hora, em outro aspecto, de cerca de 300 a cerca de 800 por hora, em outro aspecto, de cerca de 400 a cerca de 700 por hora e, em outro aspecto, de cerca de 500 a cerca de 600 por hora. Variáveis que afetam o coeficiente de transferência de massa do CO incluem o espargimento do gás de síntese, a pressão no vaso reator, a qualidade do gás de síntese e a dispersão e mistura do gás.
Os processos descritos neste documento são eficientes para gerar alto nível de produtividade. Nesse aspecto, o processo é eficiente para obter um rendimento espaço-tempo (STY) de ao menos cerca de 10 g de etanol/(L-dia). Possíveis valores de STY incluem cerca de 10 g de etanol/(L-dia) a cerca de 200 g de etanol/(L-dia), em outro aspecto, cerca de 10 g de etanol/(L-dia) a cerca de 160 g de etanol/(L-dia), em outro aspecto, cerca de 10 g de etanol/(L-dia) a cerca de 120 g de etanol/(L-dia), em outro aspecto, cerca de 10 g de etanol/(L-dia) a cerca de 80 g de etanol/(L-dia), em outro aspecto, cerca de 20 g de etanol/(L-dia) a cerca de 140 g etanol/(L-dia), em outro aspecto, cerca de 20 g etanol/(L-dia) a cerca de 100 g de etanol/(L-dia), em outro aspecto, cerca de 40 g de etanol/(L-dia) a cerca de 140 g de etanol/(L-dia) e, em outro aspecto, cerca de 40 g de etanol/(L-dia) a cerca de 100 g de etanol/(L-dia).
Definições
Salvo definição em contrário, os termos a seguir, conforme usados ao longo deste relatório descritivo da presente invenção, são definidos conforme o seguinte e podem incluir flexões no singular ou plural das definições abaixo:
O termo “cerca de” modificando qualquer quantidade refere- se a uma variação naquela quantidade encontrada em condições no mundo real, por exemplo, no laboratório, na planta piloto ou na usina de produção. Por exemplo, uma quantidade de um ingrediente ou uma medida usada em uma mistura ou quantidade quando modificada por “cerca de” inclui a variação e grau de tratamento geralmente usados na medição em condições experimentais em usinas de produção ou laboratórios. Por exemplo, a quantidade de um componente de um produto quando modificada por “cerca de” inclui a variação entre bateladas em vários experimentos na usina ou laboratório e a variação inerente no 5 método analítico. Sejam ou não modificadas por “cerca de”, as quantidades incluem equivalentes delas. Qualquer quantidade mencionada neste documento e modificada por “cerca de” também pode ser empregada na presente invenção como a quantidade não modificada por “cerca de”. 10 “Material carbonado”, conforme usado no presente docu mento, refere-se a um material rico em carbono, como carvão e produtos petroquímicos. No entanto, neste relatório descritivo, material carbonado inclui qualquer material de carbono em fase sólida, líquida, gasosa ou em plasma. Entre os vários itens que podem ser considerados 15 materiais carbonados, a presente invenção contempla: material carbonado, produto líquido carbonado, líquido industrial reciclado carbonado, resíduos sólidos urbanos (RSU ou rsu) carbonados, resíduos urbanos carbonados, material agrícola carbonado, material florestal carbonado, resíduos de madeira carbonados, material de construção carbo- 20 nado, material vegetal carbonado, resíduos industriais carbonados, resíduos de fermentação carbonados, subprodutos petroquímicos carbonados, subprodutos da produção do álcool carbonados, carvão carbonado, pneumáticos, plástico, plástico de resíduos, alcatrão de forno de coque, fibersoft, lignina, lixívia negra, polímeros, polímeros 25 residuais, politereftalato de etileno (PETA), poliestireno (PS), limo de esgoto, dejetos de animais, resíduos de safra, safras de energia, resíduos de processamento florestal, resíduos do processamento da madeira, dejetos de gado, dejetos de aves, resíduos do processamento de alimentos, resíduos de processos de fermentação, subprodutos do 30 etanol, grãos utilizados, micro-organismos utilizados ou combinações destes.
Os termos “fibersoft”, “Fibersoft”, “fibrosoft” ou “fibrousoft” significam um tipo de material carbonado produzido como resultado do amolecimento e concentração de várias substâncias; em um exemplo, o material carbonado é produzido por autoclavagem a vapor de várias substâncias. Em outro exemplo, o fibersoft inclui autoclavagem a vapor de rejeitos urbanos, industriais, comerciais e médicos resultando em um material fibroso polpudo.
Os termos “resíduos sólidos urbanos”, “RSU” ou “rsu” signi-ficam resíduos que podem incluir rejeitos domésticos, comerciais, industriais e/ou residuais.
Os termos “gasogénio” ou “gás de síntese” significam gás de síntese, que é o nome dado a uma mistura de gás que contém quantidades variantes de monóxido de carbono e hidrogênio. Exemplos de métodos para sua produção incluem a reformulação a vapor do gás natural ou de hidrocarbonetos para produzir hidrogênio, a gaseificação do carvão e em alguns tipos de usinas de gaseificação de resíduos em energia. O nome vem de seu uso como intermediário na criação do gás natural sintético (GNS) e para produzir amónia ou metanol. O gás de síntese compreende o uso como intermediário na produção de petróleo sintético para uso como combustível ou lubrificante por meio da síntese de Fischer-Tropsch e, anteriormente, do metanol de Mobil para o processamento da gasolina. O gás de síntese é composto principalmente por hidrogênio, monóxido de carbono e certa quantidade de dióxido de carbono e possui menos da metade da densidade de energia (isto é, do teor de BTU) do gás natural. O gás de síntese é inflamável e geralmente usado como fonte de combustível ou como intermediário na produção de outros produtos químicos.
Os termos “fermentação”, “processo de fermentação” ou “re-ação de fermentação” e seus semelhantes visam a abranger tanto a fase de crescimento quanto a fase de biossíntese do produto do processo.
Em um aspecto, fermentação refere-se à conversão do CO em álcool. O termo “transferência de massa”, conforme usado neste documento, refere-se à transferência de átomos ou moléculas, particu-larmente átomos ou moléculas do substrato, de uma fase gasosa a uma solução aquosa. O coeficiente de transferência de massa pode ser calculado de acordo com as equações descritas em Younesi et al. (Iranian Journal of Biotechnology, Vol. 4, ns 1, janeiro de 2006), incorporado ao presente documento por referência. A equação a seguir representa a bioconversão do CO (Xco) e o coeficiente volumétrico de transferência de massa: Xco - RTVL(kLa) 1 - Xco nHvg kta: coeficiente volumétrico de transferência de massa Xco: % de bioconversão do CO R: constante T: temperatura VL: volume de líquido H: constante de Hemy (CO = 1,226 litro-atm-mmol1) vg: volume de gás Os termos “aumentar a eficiência”, “maior eficiência” e seus semelhantes, quando usados com referência a um processo de fermen-tação, incluem aumentar um ou mais dentre a taxa de crescimento de micro-organismos na fermentação, o volume ou massa do produto desejado (tal como álcoois) produzido por volume ou massa consumida do substrato (tal como monóxido de carbono), a taxa de produção ou nível de produção do produto desejado e a proporção relativa do produto desejado produzido em comparação a outros subprodutos da fermentação.
Projeto do Biorreator
A Figura 1 ilustra uma vista em perspectiva de um aparelho biorreator. O aparelho biorreator inclui um alojamento 105 que define um vaso reator 100. O vaso reator 100 pode ser substancialmente cilíndrico e a seção transversal do vaso reator pode ser na forma de um círculo, substancialmente circular, ou em outros formatos eficientes para melhorar a mistura e a transferência de massa. O alojamento 105 pode ser feito de qualquer material conhecido para resistir a pressões operacionais de ao menos cerca de 1 psig até pressões de ao menos cerca de 250 psig e que seja compatível com o meio. Em vários aspec tos, as pressões a seguir podem ser usadas: de cerca de 5 a cerca de 200 psig, de cerca de 5 a cerca de 100 psig, de cerca de 5 a cerca de 50 psig, de cerca de 5 a cerca de 25 psig, de cerca de 10 a cerca de 200 psig, de cerca de 10 a cerca de 100 psig, de cerca de 10 a cerca de 50 psig, de cerca de 10 a cerca de 25 psig, de cerca de 15 a cerca de 200 psig, de cerca de 15 a cerca de 100 psig, de cerca de 15 a cerca de 50 psig, de cerca de 15 a cerca de 25 psig, de cerca de 20 a cerca de 200 psig, de cerca de 20 a cerca de 100 psig, de cerca de 20 a cerca de 50 psig e de cerca de 20 a cerca de 25 psig. Alguns exemplos de materiais adequados incluem aço inoxidável, aço com um revestimento interno adequado e vidro.
Como também ilustra a Figura 1, o gás de síntese entra no vaso reator 100 através de uma entrada/injetor/distribuidor de gás 120. O espalhamento do gás de síntese e sua mistura adicional são realizados por ao menos um rotor de dispersão do gás 225 e ao menos um rotor de mistura 220, os quais acoplam-se a um eixo motor 200. O eixo motor 200 é sustentado por uma placa de suporte do agitador 210. O gás escapa do vaso reator 100 através da válvula de escape 170. O vaso reator 100 também pode incluir defletores 300 para melhorar ainda mais a mistura. Nesse aspecto, os defletores 300 podem se esten- 5 der cerca de 25% acima do nível de líquido sem gás 115 para permitir um nível de líquido operacional mais alto caso o sistema tenha baixa formação de espuma.
Em outro aspecto, o vaso reator 100 inclui portas de adição 230. As portas de adição 230 podem incluir, por exemplo, uma ou mais 10 portas de adição de ácido, uma ou mais portas de adição de alcalinos e uma ou mais portas de adição de nutrientes. Nesse aspecto, as portas de adição podem ser igualmente espaçadas em torno de uma circunferência do vaso reator. As portas podem ser formadas no mesmo plano horizontal ou em um plano horizontal diferente. Em um aspecto, o vaso 15 reator 100 inclui ao menos 4 portas de adição de meio igualmente espaçadas adjacentes a um rotor de mistura 220. As portas podem ser espaçadas em torno de uma circunferência do vaso reator 100 a ângulos de 45° de distância.
Certo nível de líquido com gás 110 e certo nível de líquido 20 sem gás 115 são mantidos no vaso reator 100. A manutenção de certo nível de líquido sem gás 115 no vaso reator 100 permite uma transferência de massa mais eficiente e ajuda a manter o controle da formação de espuma. Nesse aspecto, mantém-se um nível de líquido sem gás 115 no vaso reator 100 que seja eficiente para proporcionar um espaço 25 superior de ao menos cerca de 1% do volume total do vaso reator 100. Em outro aspecto, o nível de líquido sem gás 115 proporciona um espaço superior de cerca de 1% a cerca de 75% do volume total do vaso reator 100. Em vários aspectos, o espaço superior pode incluir as porcentagens do volume total do reator a seguir: de cerca de 5% a cerca 30 de 50%, de cerca de 10% a cerca de 50%, de cerca de 15% a cerca de 50%, de cerca de 20% a cerca de 50%, de cerca de 25% a cerca de 50%, de cerca de 30% a cerca de 50%, de cerca de 30% a cerca de 40% e de cerca de 30% a cerca de 35%. O vaso reator 100 também pode incluir ao menos uma entrada de líquido 130, a qual ajuda a controlar a formação de espuma e permite ajustar o volume de líquido no reator. A entrada de líquido 130 pode ser na forma de um bico pulverizador. O vaso reator 100 também pode incluir outras portas 190.
Conforme ilustra a Figura 1, o vaso reator 100 também pode incluir um compartimento de base 400 e um quebra-vórtice 410 disposto dentro do compartimento de base e sobre a saída do meio 420. O compartimento de base 400 e o quebra-vórtice 410 são eficientes para impedir que o gás saia pela saída do meio 420. O meio que deixa a saída do meio 420 pode ser enviado a um circuito de reciclagem do meio 450 ou a um circuito de filtragem do meio 460. O meio advindo do circuito de reciclagem do meio 450 é enviado a um arrefecedor/trocador de calor 500, e o meio arrefecido 510 é recirculado ao vaso reator 100.
O compartimento de base 400 é eficiente para permitir que bolhas de gás ascendam do compartimento de base 400 de volta ao vaso reator 100. Nesse aspecto, o líquido no compartimento de base 400 deve ser o menos incomodado possível, e as bolhas de gás devem ascender além do compartimento de base 400 com mais rapidez com que o líquido sai por baixo do compartimento de base. Nesse aspecto, menos que 2% do gás deixa a saída do meio 420 rumo a uma bomba.
O meio advindo do circuito de filtragem do meio 460 é enviado a um filtro de reciclagem 600. Células concentradas 610 voltam ao vaso reator 100 e o permeado 620 é enviado para novo processamento. O novo processamento pode incluir a separação do produto desejado, como, por exemplo, etanol, ácido acético e butanol.
Em outro aspecto, o biorreator pode ser configurado sem rotores. Por exemplo, o biorreator pode ser configurado na forma de um reator do tipo gas-lift ou de um reator do tipo de coluna de bolhas. Nessas configurações de reator, aplica-se uma energia de agitação de cerca de 0,01 a cerca de 12 kWatts/m3 do meio.
Gás de Síntese e Espargimento do Gás de Síntese O gás de síntese é introduzido no biorreator 100 através de uma entrada/distribuidor de gás 120. O gás de síntese pode ser prove-niente de qualquer fonte conhecida. Em um aspecto, o gás de síntese pode ser oriundo da gaseificação de materiais carbonados. A gaseificação envolve a combustão parcial da biomassa em um suprimento restrito de oxigênio. O gás resultante inclui principalmente CO e H2. Nesse aspecto, o gás de síntese contém ao menos cerca de 20% em mols de CO, em um aspecto, cerca de 20% a cerca de 100% em mols de CO, em outro aspecto, cerca de 30% a cerca de 90% em mols de CO, em outro aspecto, cerca de 40% a cerca de 80% em mols de CO e, em outro aspecto, cerca de 50% a cerca de 70% em mols de CO. O gás de síntese tem uma razão molar CO/CO2 de ao menos cerca de 0,75. Alguns exemplos de métodos e aparelhos de gaseificação adequados são descritos nos pedidos dos Estados Unidos de número de série 61/516.667, 61/516.704 e 61/516.646, todos os quais foram depositados no dia 6 de abril de 2011 e todos os quais se incorporam ao presente documento por referência. O biorreator pode incluir um gradiente de concentração de CO onde a concentração de CO perto do distribuidor é maior que em um ponto mais alto do biorreator. Nesse aspecto, o biorreator inclui uma razão de concentração de CO na altura da base (altura do distribuidor) do biorreator para a concentração de CO no topo do biorreator de cerca de 100:1 a cerca de 10:1.
Um fator que pode afetar a taxa de transferência de massa do CO no meio aquoso é a pressão parcial do substrato aquoso que inclui o CO. Nesse aspecto, é possível aumentar a taxa de transferência de massa aumentando-se a proporção de CO em um fluxo de gás por enriquecimento ou pela remoção de componentes indesejados. Nesse aspecto, o fluxo de gás terá menos que cerca de 10 ppm de componentes aromáticos oxigenados ou não oxigenados.
As Figuras 2A e 2B ilustram uma vista de baixo da entra-da/distribuidor de gás 120. Nesse aspecto, a entrada/distribuidor de gás 120 inclui um conduto de entrada 530, o qual é a continuação de uma unidade de espargimento 540. A unidade de espargimento 540 pode ser substancialmente anelar ou circular, conforme ilustrado, ou pode ser de qualquer outro formato, como, por exemplo, reto, retangular ou em forma livre. No aspecto em que a unidade de espargimento 540 é anelar, ela tem um diâmetro de cerca de 30% a cerca de 100% do diâmetro formado pelos rotores de dispersão do gás 225, em vários outros aspectos, de cerca de 40% a cerca de 90%, de cerca de 40% a cerca de 80% e de cerca de 50% a cerca de 70%.
A parte inferior da unidade de espargimento de gás 540 pode incluir vários orifícios 550. Os orifícios 550 são de um diâmetro eficiente para produzir uma velocidade do gâs de cerca de 25 m/s ou mais na saída dos orifícios; em outro aspecto, uma velocidade do gás de cerca de 25 m/s a cerca de 75 m/s na saída dos orifícios. Em vários aspectos, a velocidade do gás pode incluir as faixas a seguir: de cerca de 25 a cerca de 75 m/s, de cerca de 25 a cerca de 50 m/s, de cerca de 25 a cerca de 40 m/s, de cerca de 25 a cerca de 30 m/s, de cerca de 30 a cerca de 75 m/s, de cerca de 30 a cerca de 50 m/s, de cerca de 30 a cerca de 40 m/s, de cerca de 35 a cerca de 75 m/s, de cerca de 35 a cerca de 50 m/s, de cerca de 35 a cerca de 40 m/s, de cerca de 40 a cerca de 75 m/s, de cerca de 40 a cerca de 50 m/s e de cerca de 50 a cerca de 75 m/s. Nesse aspecto, os orifícios terão cerca de 10 mm de diâmetro ou menos e, em outro aspecto, cerca de 2,5 a cerca de 1,0 de diâmetro. A Figura 3 ilustra uma vista em corte transversal de uma unidade de espargimento 540. Nesse aspecto, as setas com linhas tracejadas ilustram o fluxo do gás através dos orifícios 550. Ilustra-se um ângulo de 120° cujas linhas convergem em um ponto médio da unidade de espargimento (representado por a). Os orifícios podem ser situados a qualquer ângulo ao longo da unidade de espargimento. Em um aspecto, a unidade de espargimento 540 inclui cerca de 1 a cerca de 5 fileiras de orifícios paralelos 550. Os orifícios 550 são espaçados e apontam para baixo. Conforme ilustra a Figura 3, a unidade de espargimento 540 inclui 5 fileiras paralelas de orifícios 550 e um total de 790 orifícios espaçados a 30° de distância. A direção apontando para baixo dos orifícios é eficiente para impedir a incrustação ou o entupimento dos orifícios e ajuda a minimizar o fluxo reverso na unidade de espargimento 540.
Dispersão e Mistura do Gás
Com referência mais uma vez à Figura 1, o vaso reator 100 inclui ainda uma unidade de mistura que compreende um eixo motor 200, ao menos um rotor de mistura 220 e ao menos um rotor de dispersão do gás 225. O rotor de mistura 220 normalmente fica abaixo do nível de líquido 110. Em um aspecto, o vaso reator 100 inclui dois ou mais rotores de mistura 220. Um rotor de dispersão do gás 225 fica abaixo do ao menos um rotor de mistura 220. O vaso reator 100 pode incluir um ou dois ou mais rotores de dispersão do gás 225.
Com referência agora à Figura 4A, cada rotor de mistura e rotor de dispersão do gás inclui um núcleo 500 e um grupo de hélices dispostas em torno do eixo motor 200. Cada hélice inclui um braço 510 ligado ao núcleo 500 e que retém uma ou mais pás 520. As pás podem ser ou hélices de mistura ou hélices de dispersão do gás. O rotor de mistura inclui ao menos 2 pás e pode incluir até 6 pás. Exemplos de rotores de mistura incluem rotores de baixa energia, como rotores marinhos ou hélices marinhas. Em outro aspecto, o rotor de dispersão do gás inclui ao menos 2 pás e pode incluir até 6 pás. Exemplos de rotores de dispersão do gás incluem rotores de alta energia, como turbinas Rushton ou rotores côncavos. A Figura 4B é semelhante à Figura 4A, salvo que as pás 520 ligam-se diretamente ao núcleo 500.
Quando da rotação do eixo motor 200, o gás de síntese in-troduzido através da entrada/distribuidor de gás é carregado em pequenas bolhas dentro do meio e se desloca ao longo da seção transversal circular do vaso reator 100. O eixo motor conecta-se operacionalmente a qualquer agitador adequado, como, por exemplo, um motor elétrico, um motor e caixa de câmbio ou um motor hidráulico, e é girado por este. Nesse aspecto, o agitador proporciona uma entrada de energia de agitação de cerca de 0,3 a cerca de 12 kWatts/m3, em outro aspecto, de cerca de 0,7 a cerca de 12 kWatts/m3 e, em um aspecto importante, de cerca de 0,9 a cerca de 12 kWatts/m3 do meio.
Operação do Biorreator
De acordo com um aspecto, o processo de fermentação se inicia com a adição de um meio adequado ao vaso reator. O líquido contido no vaso reator pode incluir qualquer tipo de meio nutriente ou caldo de fermentação adequado. O meio nutriente incluirá vitaminas e minerais eficientes para permitir o crescimento dos micro-organismos em uso. Meios anaeróbicos adequados para a fermentação do etanol usando CO como fonte de carbono são conhecidos. Um exemplo de meio de fermentação adequado é descrito na Patente dos Estados Unidos ns 7.285.402, a qual se incorpora ao presente documento por referência.
O meio é esterilizado para remover micro-organismos inde- sejados e o reator é inoculado com os micro-organismos desejados. Em um aspecto, os micro-organismos usados incluem bactérias acetogêni- cas. Exemplos de bactérias acetogênicas úteis incluem as do género Clostridium, como linhagens de Clostridium Ijungdahlii, inclusive as descritas no documento WO 2000/68407, no documento EP 117309, nas Patentes dos Estados Unidos n^ 5.173.429, 5.593.886 e 6.368.819, no documento WO 1998/00558 e no documento WO 2002/08438, linhagens de Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 e DSM 19630 do DSMZ, Alemanha), inclusive as descritas no documento WO 2007/117157 e no documento WO 2009/151342, e Clostridium ragsda- lei (Pll, ATCC BAA-622) e Alkalibaculum bacchi (CPU, ATCC BAA- 1772), inclusive as descritas respectivamente na Patente dos Estados Unidos na 7.704.723 e em “Biofuels and Bioproducts from Biomass- Generated Synthesis Gas”, Hasan Atiyeh, apresentado na Conferência Anual do Estado de Oklahoma EPSCoR, 29 de abril de 2010, e Clostridium carboxidivorans (ATCC PTA-7827), descrita no pedido de Patente dos Estados Unidos n^ 2007/0276447. Outros micro-organismos adequados incluem os do gênero Moorella, inclusive a Moorella sp. HUC22-1, e os do gênero Carboxy dothermus. Cada um desses documentos incorpora-se ao presente documento por referência. Culturas misturadas com dois ou mais micro-organismos podem ser usadas.
Alguns exemplos de bactérias úteis incluem Acetogenium kivui, Acetoanaerobium noterae, Acetobacterium woodii, Alkalibaculum bacchi CPU (ATCC BAA-1772), Blautia producta, Butyribacterium methylotrophicum, Caldanaerobacter subterraneous, Caldanaerobacter subterraneous pacificus, Carboxydothermus hydrogenoformans, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium acetobutylicum P262 (DSM 19630 do DSMZ, Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 19630 do DSMZ, Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 do DSMZ, Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 23693 do DSMZ, Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 24138 do
DSMZ, Alemanha), Clostridium carboxidivorans P7 (ATCC PTA-7827), Clostridium coskatii (ATCC PTA-10522), Clostridium drakei, Clostridium Ijungdahlii PETC (ATCC 49587), Clostridium Ijungdahlii ERI2 (ATCC 55380), Clostridium Ijungdahlii C-01 (ATCC 55988), Clostridium Ijungdahlii 0-52 (ATCC 55889), Clostridium magnum, Clostridium pasteurianum (DSM 525 do DSMZ, Alemanha), Clostridium ragsddli Pll (ATCC BAA- 622), Clostridium scatologenes, Clostridium thermoaceticum, Clostridium ultunense, Desulfotomaculum kuznetsovii, Eubacterium limosum, Geo- bacter suljurreducens, Methanosarcina acetivorans, Methanosarcina barkeri, Morrella thermoacetica, Morrella thermoautotrophica, Oxobacter pfennigii, Peptostreptococcus productus, Ruminococcus productus, Thermo anaerobacter kivui e misturas dessas.
Quando da inoculação, uma velocidade de alimentação inicial do gás de alimentação é estabelecida de maneira eficiente para alimentar a população inicial de micro-organismos. Analisa-se o gás efluente para determinar seu conteúdo. Os resultados dessa análise do gás são usados para controlar a velocidade de alimentação do gás. Ao obter níveis desejados, a fase líquida e o material celular são retirados do reator e realimentados com meio. Nesse aspecto, opera-se o biorrea- tor de modo que mantenha uma densidade celular de ao menos cerca de 2 gramas/litro e, em outro aspecto, de cerca de 2 a cerca de 50 gramas/litro, em vários outros aspectos, de cerca de 5 a cerca de 40 gramas/litro, de cerca de 5 gramas a cerca de 30 gramas/litro, de cerca de 5 a cerca de 20 gramas/litro, de cerca de 5 a cerca de 15 gramas/litro, de cerca de 10 a cerca de 40 gramas/litro, de cerca de 10 a cerca de 30 gramas/litro, de cerca de 10 a cerca de 20 gramas/litro e de cerca de 10 a cerca de 15 gramas/litro. A densidade celular pode ser controlada por meio do filtro de reciclagem 600. Em um aspecto relacionado, o biorreator é operado para proporcionar um tempo de retenção do líquido de cerca de 10 a cerca de 400 horas e, em vários aspectos, de cerca de 10 a cerca de 300 horas, de cerca de 10 a cerca de 200 horas, de cerca de 10 a cerca de 100 horas, de cerca de 10 a cerca de 75 horas, de cerca de 10 a cerca de 60 horas, de cerca de 10 a cerca de 50 horas, de cerca de 10 a cerca de 40 horas, de cerca de 10 a cerca de 30 horas e de cerca de 10 a cerca de 20 horas. Nesse aspecto, o tempo 5 de retenção do líquido (LRT) pode ser calculado de acordo com o seguinte:
Figure img0001
Introduz-se gás de síntese no biorreator a uma taxa eficien- 10 te para manter a pressão no biorreator em ao menos cerca de 1 psig e, em outro aspecto, em cerca de 10 psig a cerca de 250 psig. Em vários outros aspectos, a pressão pode ser de cerca de 10 a cerca de 200 psig, de cerca de 10 a cerca de 100 psig, de cerca de 10 a cerca de 75 psig, de cerca de 10 a cerca de 50 psig, de cerca de 10 a cerca de 25 psig, de 15 cerca de 20 a cerca de 250 psig, de cerca de 20 a cerca de 200 psig, de cerca de 20 a cerca de 100 psig, de cerca de 20 a cerca de 75 psig, de cerca de 20 a cerca de 50 psig, de cerca de 20 a cerca de 25 psig, de cerca de 30 a cerca de 250 psig, de cerca de 30 a cerca de 200 psig, de cerca de 30 a cerca de 100 psig, de cerca de 30 a cerca de 75 psig, de 20 cerca de 30 a cerca de 50 psig, de cerca de 40 a cerca de 250 psig, de cerca de 40 a cerca de 200 psig, de cerca de 40 a cerca de 100 psig, de cerca de 40 a cerca de 75 psig, de cerca de 40 a cerca de 50 psig, de cerca de 50 a cerca de 250 psig, de cerca de 50 a cerca de 200 psig, de cerca de 50 a cerca de 100 psig e de cerca de 50 a cerca de 75 psig. 25 Em um aspecto, em fermentadores de certo tamanho, o gás de síntese é introduzido na entrada/distribuidor de gás 120 a uma velocidade de cerca de 10 a cerca de 50 pés3/s e, em outro aspecto, a uma velocidade de cerca de 25 a cerca de 35 pés3/s. A pressão é controlada controlando-se a velocidade a que o gás de síntese é introduzido junto com o controle da velocidade a que o gás deixa o vaso reator. A pressão pode ser medida no espaço superior do reator ou na base do vaso reator.
Em um aspecto, os orifícios do distribuidor 550 e a queda de pressão ao longo dos orifícios são importantes para melhorar o coeficiente volumétrico de transferência de massa do CO. A queda de pressão ao longo dos orifícios do distribuidor 550 precisa ser alta o bastante para garantir a distribuição de bolhas de gás em torno da unidade de espargimento 540. Nesse aspecto, o espargimento é eficiente para proporcionar uma queda de pressão ao longo dos orifícios do distribuidor 550 de cerca de 0,5 psi a cerca de 2,5 psi e, em outro aspecto, de cerca de 1 psi a cerca de 2 psi. Os orifícios do distribuidor 550 oferecem vantagens sobre outras formas de espargimento. Por exemplo, os orifícios do distribuidor 550 são eficientes para evitar a incrustação, como pode acontecer com distribuidores de metal sinteri- zado. Além disso, os orifícios do distribuidor 550 são eficientes para prover tamanhos de bolha de gás consistentes que contribuem para a melhor transferência de massa.
Outro fator que pode afetar a taxa de transferência de massa é o tempo de retenção do gás. Nesse aspecto, o biorreator é eficiente para prover um tempo de retenção do gás de ao menos cerca de 2 minutos e, em outro aspecto, um tempo de retenção do gás de cerca de 2 minutos a cerca de 15 minutos e, em outro aspecto, de cerca de 5 a cerca de 10 minutos. O tempo de retenção do gás (GRT) pode ser determinado de acordo com a fórmula a seguir:
Figure img0002
A temperatura e a força iônica também podem influenciar na taxa de transferência de massa. Nesse aspecto, a temperatura do biorreator é de cerca de 30° C a cerca de 50° C.
Uma configuração alternativa do compartimento de base 400 é ilustrada na Figura 5. Nesse aspecto, o compartimento de base 5 400 é usado como reator de crescimento durante a fase inicial. O compartimento de base é configurado para incluir um distribuidor do compartimento de base 600. O compartimento de base também inclui um misturador do compartimento de base. O misturador do compartimento de base pode ser qualquer aparelho de mistura conhecido. Por 10 exemplo, a mistura de gás pode ser realizada por rotores (não ilustrados) ou por um fermentador do tipo gas-lift munido de um tubo de derivação 620. Conforme ilustra a Figura 5, o fermentador tipo gas-lift é eficiente para circular bolhas 610 e células ao longo do compartimento de base 400. Outros modelos de reator, incluindo um reator do tipo de 15 coluna de bolha e um reator do tipo a jato ou com circuito de gás externo, podem ser usados.
A configuração alternativa do compartimento de base é u- sada para inocular bactérias acetogênicas em um meio contido no compartimento de base de um vaso reator. O meio no compartimento de 20 base ocupa ao menos cerca de 75% do volume total do compartimento de base, em outro aspecto, ao menos cerca de 80%, em outro aspecto, ao menos cerca de 85%, em outro aspecto, ao menos cerca de 90% e, em outro aspecto, ao menos cerca de 95%. O compartimento de base é espargido com gás de síntese e misturado por um tempo eficiente para 25 prover uma densidade celular almejada. Nesse aspeto, a densidade celular almejada será de cerca de 5 a cerca de 50 gramas/litro e, em vários outros aspectos, de cerca de 5 a cerca de 30 gramas/litro, de cerca de 5 a cerca de 20 gramas/litro, de cerca de 5 a cerca de 15 gramas/litro, de cerca de 10 a cerca de 40 gramas/litro, de cerca de 10 30 a cerca de 30 gramas/litro, de cerca de 10 a cerca de 20 gramas/litro e de cerca de 10 a cerca de 15 gramas/litro. Ao obter uma densidade celular almejada, o nível do meio sobre além do compartimento de base e entra no vaso reator a níveis previamente indicados. O espargimento e a mistura no compartimento de base são interrompidos e a fermentação prossegue conforme descrito acima.
Em outro aspecto, a densidade celular no compartimento de base chega a um nível de ao menos cerca de 3 gramas por litro ou a qualquer uma das densidades celulares descritas neste documento. Ao chegar a uma densidade celular de ao menos cerca de 3 gramas por litro, o meio é adicionado a uma velocidade eficiente para permitir que o nível de densidade celular permaneça em um nível de ao menos cerca de 3 gramas por litro. Ao chegar a um nível desejado do meio, o espargimento e a mistura no compartimento de base são interrompidos e a fermentação prossegue conforme descrito acima.
EXEMPLO
Realizaram-se fermentações em escala de planta piloto para determinar o kta. O kta foi medido com um STY (rendimento espaço- tempo) em torno de 60 g de etanol/(L-dia). Tirou-se uma estimativa do kta forçando a reação em condições de limitação à transferência de massa, ou a uma concentração de CO dissolvido igual a zero. Isso foi consumado efetuando uma redução temporária ou na taxa de fluxo do gás ou na taxa de agitação de modo que houvesse um excesso de células para o gás à disposição. Nessas condições, o CO é reagido para fora assim que dissolvido para que a reação seja limitada quanto à transferência de massa. O CO dissolvido na solução é o mesmo que a diferença entre o CO no gás de alimentação e o CO no produto. Em um sistema com transferência de massa limitada, essa diferença é o coeficiente de transferência de massa em dada condição.
Figure img0003
onde: kta = coeficiente volumétrico de transferência de massa (m3 de gàs/s/m3 de líquido) Ckia = Constante para dado sistema 5 pg = Consumo de energia do agitador com gás (W) Vi = Volume de líquido (m3) vSg = Velocidade do gás superficial (m/s) a = Constante de subida b = Constante de subida 10 Conduziram-se experimentos a 6 psig (pressão no topo) e ti raram-se medidas a um STY de 60 g de etanol/L-dia). Os resultados foram os seguintes:
Figure img0004
Figure img0005
Embora tenha-se descrito a presente invenção neste docu-mento com a ajuda de concretizações, exemplos e aplicações específicas dela, os versados na técnica podem fazer muitas modificações e variações a ela sem divergir de seu âmbito, estabelecido nas Reivindicações.

Claims (11)

1. Processo Para Fermentação Anaeróbica de Gás de Síntese, o processo compreendendo: introduzir o gás de síntese em um vaso de agitação de reator de tanque através de um distribuidor de gás, o distribuidor de gás situado abaixo de um nível de líquido no vaso reator, o gás de síntese sendo introduzido através de orifícios no distribuidor de gás que apontam em uma direção descendente a uma taxa de fluxo efetiva para fornecer uma queda de pressão ao redor do distribuidor de 3,4 a 17,2 kPa, uma velocidade de gás de 25 m/seg ou maior, em uma saída dos orifícios e manter uma pressão dentro do vaso reator de pelo menos 6,9 kPag, caracterizado por que o gás de síntese tem uma razão molar CO/CO2 de pelo menos 0,75 e o processo fornece um tempo de retenção de gás de 5 a 10 minutos, um tempo de retenção de líquido de 10 a 400 horas e uma densidade de célula de 5 a 40 gramas por litro; entrar em contato com o gás de síntese com ao menos um rotor de dispersão do gás situado sobre o distribuidor de gás; e misturar o gás de síntese com pelo menos uma bactéria acetogênica, com pelo menos um rotor de mistura localizado sobre o rotor de dispersão do gás, em que o rotor de dispersão do gás e o rotor de mistura estão conectados operacionalmente a um agitador por meio de um eixo motor, o agitador proporcionando uma entrada de energia de agitação de 0,9 a 12 kWatts/m3 do meio, em que o vaso reator inclui pelo menos 4 portas de adição médias espaçadas igualmente adjacentes ao rotor de mistura, em que o processo é efetivo por fornecer um coeficiente de transferência de massa CO volumétrico de 200 a 1.100 por hora e um rendimento espaço-tempo (STY) de 20 a 140 g etanol/L.dia.
2. Processo Para Fermentação Anaeróbica de Gás de Síntese, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o distribuidor de gás inclui orifícios apontando em uma direção descendente e tendo um diâmetro de 10 mm ou menos.
3. Processo Para Fermentação Anaeróbica de Gás de Síntese, de acordo com a Reivindicação 2, caracterizado por que o distribuidor de gás inclui orifícios tendo um diâmetro de 2,5 mm ou menos.
4. Processo Para Fermentação Anaeróbica de Gás de Síntese, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o gás de síntese é introduzido a uma taxa de fluxo eficaz para a manutenção de uma pressão no interior do vaso reator de pelo menos 69 kPag.
5. Processo Para Fermentação Anaeróbica de Gás de Síntese, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o processo é eficaz para proporcionar uma densidade celular de 10 a 40 gramas por litro.
6. Processo Para Fermentação Anaeróbica de Gás de Síntese, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o gás de síntese possui um teor de CO de pelo menos 20% molar.
7. Processo Para Fermentação Anaeróbica de Gás de Síntese, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o gás de síntese inclui menos de 10 ppm de aromas oxigenados ou não oxigenados.
8. Processo Para Fermentação Anaeróbica de Gás de Síntese, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que a bactéria acetogênica é selecionada dentre o grupo composto por Acetogenium kiirui, Acetoanaerobium noterae, Acetobacterium tuoodii, Alkalibaculum bacchi CPU (ATCC BAA-1772), Blautia producia, Butyribacterium methylotrophicum, Caldanaerobacter subterraneous, Caldanaerobacter subterraneous pacificas, Carboxydothermus hydrogenoformans, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium acetobutylicum P262 (DSM 19630 do DSMZ, Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 19630 do DSMZ, Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 do DSMZ, Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 23693 do DSMZ, Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 24138 do DSMZ, Alemanha), Clostridium carboxidivorans P7 (ATCC PTA-7827), Clostridium coskatii (ATCC PTA- 10522), Clostridium drakei, Clostridium Ijungdahlii PETC (ATCC 49587), Clostridium Ijungdahlii ERI2 (ATCC 55380), Clostridium Ijungdahlii C-01 (ATCC 55988), Clostridium Ijungdahlii 0-52 (ATCC 55889), Clostridium magnum, Clostridium pasteurianum (DSM 525 do DSMZ, Alemanha), Clostridium ragsdali Pll (ATCC BAA-622), Clostridium scatologenes, Clostridium thermoaceticum, Clostridium ultunense, Desulfotomaculum kuznetsovii, Eubacterium limosum, Geobacter sulfurreducens, Methanosarcina acetivorans, Methanosarcina barkeri, Morrella thermoacetica, Morrella thermoautotrophica, Oxobacter pfennigii, Peptostreptococcus productus, Ruminococcus productus, Thermoanaerobacter kivui e misturas dessas.
9. Processo Para Fermentação Anaeróbica de Gás de Síntese, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que as portas de adição são espaçadas em torno de uma circunferência do vaso reator em ângulos de 45° entre si.
10. Processo Para Fermentação Anaeróbica de Gás de Síntese, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o vaso reator inclui defletores que se prolongam 25% acima de um nível de líquido desgaseificado.
11. Processo Para Fermentação Anaeróbica de Gás de Síntese, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que um nível de líquido desgaseificado é mantido no vaso reator para proporcionar um espaço superior de 1% de um volume total do vaso reator.
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