BR112015029440B1 - Processo para fermentar substrato gasoso contendo co para produzir etanol - Google Patents
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Abstract
processos para fermentar substrato gasoso contendo co. são providos processos que são eficazes para controlar a condutividade do meio durante a fermentação de um substrato gasoso contendo co, enquanto fornecem um sty de cerca de 10g etanol/(l dia) ou mais. o processo inclui balanceamento de condutividade do meio, captação de carbono específico ou níveis de densidade celular.
Description
[001] Este Pedido reivindica o benefício do Pedido Provisório U.S. No. 61/833,189 que foi depositado em 10 de Junho de 2013, e que é aqui incorporado em sua totalidade por referência.
[002] É provido um processo para controlar condutividade durante fermentação de singás e manter um STY de cerca de 10g de etanol/(L.dia) ou mais. Mais especificamente, processos para controlar condutividade incluem balancear condutividade do meio, captar carbono específico ou densidade de célula.
[003] Microrganismos anaeróbicos podem produzir etanol de CO através da fermentação de substratos gasosos. Fermentações usando microrganismos anaeróbicos do gênero Clostridium produzem etanol e outros produtos úteis. Por exemplo, Patente U.S. No. 5,173,429 descreve Clostridium ljungdahlii ATCC No. 49587, um microrganismo acetogênico anaeróbico que produz etanol e acetato de gás de síntese. Patente U.S. No. 5,897,722 descreve um método e aparelho para converter gases residuais em ácidos orgânicos e álcoois usando Clostridium ljungdahlii ATCC No. 55380. Patente U.S. No. 6,136,577 descreve um método e aparelho para converter gases residuais em etanol usando Clostridium ljungdahlii ATCC No. 55988 e 55989.
[004] Bactéria acetogênica requer uma alimentação constante de nutrientes para desempenho estável e produtividade de etanol. Maiores níveis de produtividade podem requerer o uso de meios mais concentrados para fornecer quantidades eficazes de nutrientes. Uso de meios mais concentrados resulta em um caldo de fermentação com uma força iônica maior. Maior força iônica causa efeitos prejudiciais no desempenho da cultura.
[005] São fornecidos processos que são eficazes para controlar a condutividade do meio durante a fermentação de um substrato gasoso contendo CO enquanto prevenem um STY de cerca de 10 g etanol/(L.dia) ou mais. O processo inclui balancear a condutividade do meio, a captação de carbono específico ou níveis de densidade de célula.
[006] Um processo para fermentar um substrato gasoso contendo CO inclui fornecer um substrato gasoso contendo CO a um meio de fermentação. Em um aspecto, o processo inclui manter uma condutividade a relação da captação de carbono específico (SCU em mmol/minuto/grama de células secas) de acordo com uma fórmula onde SCU = SCUmax - F*condutividade) em que SCUmax = 0 a 3 e F = 0 a 1. O meio de fermentação tem uma condutividade de cerca de 30 mS/cm ou menos e o processo é eficaz para manter um STY de cerca de 10 g etanol/(L.dia) ou mais.
[007] Um processo para fermentar um substrato gasoso contendo CO inclui fornecer um substrato gasoso contendo CO a um meio de fermentação e fermentar o singás. O processo ainda inclui manter uma condutividade (y) para taxa de alimentação de gás específica (x) de acordo com uma fórmula onde y = -6,0327x + 12,901, até alcançar uma densidade de célula alvo, em que x é cerca de 0,2 a cerca de 0,7 mmol/minuto/grama de células. Em outro aspecto, o processo inclui manter uma densidade de célula acima de uma densidade de célula alvo e manter uma condutividade de cerca de 30 mS/cm ou menos. O processo é eficaz para manter um STY de cerca de 10 g etanol/(L.dia) ou mais.
[008] Um processo para fermentação de um substrato gasoso contendo CO inclui introduzir o substrato gasoso contendo CO em um vaso de reação que inclui um meio de fermentação e fermentar o substrato gasoso contendo CO. Em um aspecto do processo, pelo menos um ou mais íons de cloro no meio de fermentação são substituídos com um íon selecionado do grupo consistindo de hidróxido, acetato, carbonato, bicarbonato e misturas dos mesmos em uma quantidade eficaz para fornecer uma condutividade de cerca de 30 mS/cm ou menos. O processo é eficaz para manter um, STY de cerca de 10 g etanol/(L.dia) ou mais.
[009] Os aspectos, características e vantagens acima e outros dos vários aspectos do processo serão mais aparentes a partir das seguintes figuras.
[010] A Figura 1 ilustra crescimento de Clostridium ljungdahlii em 1x meio de crescimento e uma taxa de alimentação de singás de 25 ml/min.
[011] A Figura 2 ilustra crescimento de Clostridium ljungdahlii em 1x meio de crescimento e uma taxa de alimentação de singás de 35 ml/min.
[012] A Figura 3 ilustra crescimento de Clostridium ljungdahlii em 1x meio de crescimento e uma taxa de alimentação de singás de 40 ml/min.
[013] A Figura 4 ilustra crescimento de Clostridium ljungdahlii em 1x meio de crescimento e uma taxa de alimentação de singás de 45 ml/min.
[014] A Figura 5 ilustra crescimento de Clostridium ljungdahlii em 1x meio de crescimento e uma taxa de alimentação de singás de 50 ml/min.
[015] A Figura 6 ilustra crescimento de Clostridium ljungdahlii em 1x meio de crescimento e uma taxa de alimentação de singás de 50 ml/min com um inóculo inicial maior.
[016] A Figura 7 ilustra crescimento de Clostridium ljungdahlii em 1,5x meio de crescimento e uma taxa de alimentação de singás de 45 ml/min com um inóculo inicial maior.
[017] A Figura 8 ilustra crescimento de Clostridium ljungdahlii em 1,5x meio de crescimento e uma taxa de alimentação de singás de 35 ml/min com um inóculo inicial maior.
[018] A Figura 9 ilustra crescimento de Clostridium ljungdahlii em 1,5x meio de crescimento e uma taxa de alimentação de singás de 30 ml/min com um inóculo inicial maior.
[019] A Figura 10 ilustra crescimento de Clostridium ljungdahlii em 1,5x meio de crescimento e uma taxa de alimentação de singás de 20 ml/min com um inóculo inicial maior.
[020] A Figura 11 mostra a captação de carbono específico de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo cloreto de amônio.
[021] A Figura 12 mostra a produtividade de etanol específica de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo cloreto de amônio.
[022] A Figura 13 mostra a captação de carbono específico de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo 1-Lisina.
[023] A Figura 14 ilustra a produtividade de etanol específica de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo 1-Lisina.
[024] A Figura 15 mostra a condutividade de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo 1-Lisina.
[025] A Figura 16 mostra a captação de carbono específico de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo acetato de amônio.
[026] A Figura 17 ilustra a produtividade de etanol específica de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo acetato de amônio.
[027] A Figura 18 mostra a condutividade de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo acetato de amônio.
[028] A Figura 19 mostra a captação de carbono específico de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo carbonato de amônio.
[029] A Figura 20 mostra a produtividade de etanol específica de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo carbonato de amônio.
[030] A Figura 21 ilustra a condutividade de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo carbonato de amônio.
[031] A Figura 22 ilustra a captação de carbono específico de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo carbonato de amônio como base.
[032] A Figura 23 ilustra a produtividade de etanol específica de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo carbonato de amônio como base.
[033] A Figura 24 mostra a condutividade de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo carbonato de amônio como base.
[034] A captação de carbono específico de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio com bicarbonato de amônio é mostrada na Figura 25.
[035] A produtividade de etanol específica de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio com bicarbonato de amônio é mostrada na Figura 26.
[036] A condutividade de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio com bicarbonato de amônio é mostrada na Figura 27.
[037] A Figura 28 ilustra efeitos de aumentos passo a passo na condutividade do meio no desempenho de Clostridium ljungdahlii.
[038] A Figura 29 ilustra os efeitos de aumentos passo a passo na condutividade do meio no desempenho de Clostridium ljungdahlii.
[039] A Figura 30 mostra a relação entre taxa de alimentação de CO e condutividade durante fermentação de Clostridium ljungdahlii.
[040] A Figura 31 mostra a relação entre captação de carbono específico e condutividade durante fermentação de Clostridium ljungdahlii.
[041] Os caracteres de referência correspondentes indicam componentes correspondentes através de várias vistas das Figuras. Versados na técnica irão apreciar que elementos nas Figuras são ilustrados para simplicidade e clareza e não necessariamente necessitam ser desenhados em escala. Por exemplo, as dimensões de alguns dos elementos nas Figuras podem ser exageradas em relação a outros elementos para auxiliar a melhorar o entendimento de vários aspectos do presente processo e aparelho. Do mesmo modo, elementos comuns mas bem entendidos que são úteis ou necessários em aspectos comercialmente factíveis não são geralmente mostrados de modo a facilitar uma vista menos obstruída destes vários aspectos.
[042] A seguinte descrição não é tomada em uma maneira limitante, mas é feita meramente para fins de descrever os princípios gerais das modalidades exemplares. O escopo da invenção deve ser determinado com referência às Reivindicações.
[043] As fermentações de singás conduzidas em biorreatores com meio e bactéria acetogênica como descrito aqui são eficazes para fornecer conversão de CO em singás em álcoois e outros produtos. Controle de condutividade, condutividade, e densidade de célula é eficaz para fornecer altos níveis de produtividade. Neste aspecto, a produtividade de álcool pode ser expressa como STY (rendimento espaço tempo expresso como g etanol/(L.dia). Neste aspecto, o processo é eficaz para fornecer um STY (rendimento no espaço e tempo) de pelo menos cerca de 10 g etanol/(L.dia).Valores de STY possíveis incluem cerca de 10 g etanol/(L.dia) a cerca de 200 g etanol/(L.dia), em outro aspecto, cerca de 10 g etanol/(L.dia) a cerca de 160 g etanol/(L.dia), em outro aspecto, cerca de 10 g etanol/(L.dia) a cerca de 120 g etanol/(L.dia), em outro aspecto, cerca de 10 g etanol/(L.dia) a cerca de 80 g etanol/(L.dia), em outro aspecto, cerca de 20 g 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 etanol/(L.dia), em outro aspecto, cerca de 40 g etanol/(L.dia) a cerca de 140 g etanol/(L.dia), e em outro aspecto, cerca de 40 g etanol/(L.dia) a cerca de 100 g etanol/(L.dia).
[044] A menos que de outra forma definido, os seguintes termos como usados através desta especificação para a presente divulgação são definidos como segue e podem incluir tanto as formas singular ou plural de definições abaixo definidas:
[045] O termo “cerca de” modificando qualquer quantidade refere à variação na quantidade encontrada nas condições reais, p.ex., no laboratório, planta piloto, ou unidade de produção. Por exemplo, uma quantidade de um ingrediente ou medição empregada em uma mistura ou quantidade quando modificada por “cerca de” inclui a variação e grau de cuidado tipicamente empregue na medição em uma condição experimental na planta de produção ou laboratório. Por exemplo, a quantidade de um componente de um produto quando modificado por “cerca de” inclui a variação entre bateladas em uns experimentos múltiplos na planta ou laboratório e a variação inerente no método analítico. Se ou não modificadas por “cerca de”, as quantidades incluem equivalentes àquelas quantidades. Qualquer quantidade estabelecida aqui e modificada por “cerca de” pode também ser empregue na presente divulgação como a quantidade não modificada por “cerca de”.
[046] “Condutividade” e “condutividade média” refere à capacidade de conduzir eletricidade. A água conduz eletricidade porque contém sólidos dissolvidos que carregam cargas elétricas. Por exemplo, cloreto, nitrato, e sulfato carregam cargas negativas, enquanto sódio, magnésio e cálcio carregam cargas positivas. Estes sólidos dissolvidos afetam a capacidade da água de conduzir eletricidade. A condutividade é medida por uma sonda, que aplica voltagem entre dois eletrodos. A queda na voltagem é usada para medir a resistência da água, que é, então, convertida em condutividade. A condutividade média pode ser medida por técnicas e métodos conhecidos. Alguns exemplos de medições de condutividade média são fornecidos em ASTM D1125, “Standard Test Methods for Electrical Conductivity and Resistivity of Water” e em “Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater", 1999, American Public Health Association, American Water Works Association, Water Environment Federation, ambos os quais são aqui incorporados por referência.
[047] O termo “singás” ou “gás de síntese” significa síntese de gás que é o nome dado a uma mistura de gás que contém quantidades variáveis de monóxido de carbono e hidrogênio. Exemplos de métodos de produção incluem a reforma de vapor de gás natural ou hidrocarbonetos para produzir hidrogênio, a gaseificação de carvão e em alguns tipos unidades de gaseificação de resíduo-a-energia. O nome vem de seu uso como intermediários na criação de gás natural sintético (SNG) e para produzir amônia ou metanol. O singás é combustível e é geralmente usado como fonte de combustível ou como intermediário para a produção de outros produtos químicos.
[048] Pretende-se que os termos “fermentação”, “processo de fermentação” ou “reação de fermentação” e semelhantes englobem ambas a fase de crescimento e biossíntese de produto do processo. Em outro aspecto, a fermentação refere a conversão de CO a álcool.
[049] O termo “densidade de célula” significa a massa de células de microrganismos por unidade de volume do caldo de fermentação, por exemplo, gramas/litro. Neste aspecto, o processo e os meios são eficazes para fornecer uma densidade de célula de pelo menos cerca de 1,0 g/L.
[050] O termo “reciclo de célula” refere-se à separação de células microbianas de um caldo de fermentação e retornando todas ou partes destas células microbianas separadas de volta ao fermentador. Geralmente, o dispositivo de filtração é usado para realizar separações.
[051] O termo “fermentador”, “vaso de reação” ou “biorreator” inclui um dispositivo de fermentação consistindo de um ou mais vasos e/ou torres ou arranjos de tubulação, que incluem o Reator Tanque Agitado Continuamente (CSTR), reator de Célula Imobilizada (ICR), Reator de Leito de gotejamento (TBR), Reator de Biofilme de leito em movimento (MBBR), Coluna de bolhas, Fermentador de Elevação de Gás, Reator de Membrana tal como Biorreator de membrana de fibra oca (HFMBR), Misturador estático ou outro vaso ou outro dispositivo adequado para contato gás-líquido.
[052] Um substrato contendo CO pode incluir qualquer gás que inclua CO. Neste aspecto, um gás contendo CO pode incluir singás, gases industriais e misturas dos mesmos.
[053] O singás pode ser fornecido de qualquer fonte conhecida. Em um aspecto, singás pode ser obtido através de gaseificação de materiais carbonáceos. Gaseificação envolve combustão parcial de biomassa em um fornecimento restrito de oxigênio. O gás resultante principalmente inclui CO e H2. Neste aspecto, singás irá conter pelo menos cerca de 10 mol % CO, em um aspecto, pelo menos cerca de 20 mol %, em um aspecto, cerca de 10 a cerca de 100 mol %, em outro aspecto, cerca de 20 a cerca de 100 mol % de CO, em outro aspecto, cerca de 30 a cerca de 90 mol % de CO, em outro aspecto, cerca de 40 a cerca de 80 mol % de CO, e em outro aspecto, cerca de 50 a cerca de 70 mol % de CO. Alguns exemplos de métodos de gaseificação adequados e aparelhos são fornecidos nos Números de Série U.S. 61/516,667, 61/516,704 e 61/516,646, todos os quais foram depositados em 6 de Abril de 2011, e nos Números de Série U.S. 13/427,144, 13/427,193 e 13/427,247, todos os quais foram depositado em 22 de Março de 2012, e todos os quais são incorporados aqui por referência.
[054] Em outro aspecto, o processo tem aplicabilidade para suportar a produção de álcool dos substratos gasosos tais como alto volume de gases de combustão industrial contendo CO. Em alguns aspectos, um gás que inclui CO é derivado de resíduo contendo carbono, por exemplo, gases residuais industriais ou da gaseificação de outros resíduos. Com tal, os processos representam processos eficazes para capturar carbono que poderia de outra forma ser esgotado no ambiente. Exemplos de gases de combustão industriais incluem gases produzidos durante fabricação de produtos de metal ferroso, fabricação de produtos não ferrosos, processos de refino de petróleo, gaseificação de carvão, gaseificação de biomassa, produção de energia elétrica, produção de negro de carbono, produção de amônia, produção de metanol, e fabricação de coque.
[055] Dependendo da composição do substrato contendo CO, o substrato contendo CO pode ser fornecido diretamente a um processo de fermentação ou pode ainda ser modificado para incluir uma razão molar de H2 a CO apropriada. Em um aspecto, o substrato contendo CO fornecido a um fermentador tem uma razão molar de H2 a CO de cerca de 0,2 ou mais, em outro aspecto, cerca de 0,25 ou mais, e em outro aspecto, cerca de 0,5 ou mais. Em outro aspecto, o substrato contendo CO fornecido ao fermentador pode incluir cerca de 40 mol por cento ou mais de CO mais H2 e cerca de 30 mol por cento ou menos de CO, em outro aspecto, cerca de 50 mol por cento ou mais CO mais H2 e cerca de 35 mol por cento ou menos de CO, e em outro aspecto, cerca de 80 mol por cento ou mais CO mais H2 e cerca de 20 mol por cento ou menos de CO.
[056] Em um aspecto, o substrato contendo CO principalmente inclui CO e H2. Neste aspecto, o substrato contendo CO irá conter pelo menos cerca de 10 mol % de CO, em um aspecto, pelo menos cerca de 20 mol %, em um aspecto, cerca de 10 a cerca de 100 mol %, em outro aspecto, cerca de 20 a cerca de 100 mol % de CO, em outro aspecto, cerca de 30 a cerca de 90 mol % de CO, em outro aspecto, cerca de 40 a cerca de 80 mol % de CO, e em outro aspecto, cerca de 50 a cerca de 70 mol % de CO. O substrato contendo CO irá ter uma razão de CO/CO2 de pelo menos cerca de 0,75, em outro aspecto, pelo menos cerca de 1,0, e em outro aspecto, pelo menos cerca de 1,5.
[057] Em um aspecto, um separador de gás é configurado para substancialmente pelo menos uma porção da corrente de gás, em que a porção inclui um ou mais componentes. Por exemplo, o separador de gás pode separar CO2 de uma corrente de gás compreendendo os seguintes componentes: CO, CO2, H2, em que CO2 pode ser passado a um removedor de CO2 e o remanescente da corrente de gás (compreendendo CO e H2) pode ser passado a um biorreator. Qualquer separador de gás conhecido na técnica pode ser utilizado, neste aspecto, o singás fornecido ao fermentador irá ter cerca de 10 mol% ou menos de CO2, em outro aspecto, cerca de 1 mol % ou menos de CO2 e, em outro aspecto, cerca de 0,1 mol % ou menos de CO2.
[058] Certas correntes de gás podem incluir uma alta concentração de CO baixas concentrações de H2. Em um aspecto, pode ser desejável otimizar a composição da corrente de substrato de modo a alcançar maior eficiência da produção de álcoois e/ou captura de carbono global. Por exemplo, a concentração de H2 na corrente de substrato pode ser aumentada antes da corrente ser passada ao biorreator.
[059] De acordo com aspectos particulares da invenção, correntes de duas ou mais fontes podem ser combinadas e/ou misturadas para produzir uma corrente de substrato otimizada e/ou desejável. Por exemplo, uma corrente compreendendo uma alta concentração de CO, tal como a descarga de um conversor de moinho de aço, pode ser combinado com uma corrente compreendendo altas concentrações e H2, tais como o efluente gasoso de um forno de coque de moinho de aço.
[060] Dependendo da composição do substrato contendo CO, pode também ser desejável tratar ele par remover quaisquer impurezas indesejadas, tais como partículas de poeira antes de introduzir à fermentação. Por exemplo, o substrato gasoso pode ser filtrado ou esfregado usando métodos conhecidos.
[061] São feitas descrições de projetos de fermentador em U.S. N° Série 13/471,827 e 13/471,858, ambos depositados em 15 de março de 2012, e U.S. N° Série 13/473,167, depositado em 16 de maio de 2012, todos os quais são aqui incorporados por referência.
[062] De acordo com um aspecto, o processo de fermentação é iniciado por adição de meio ao vaso reator. Alguns exemplos de composições de meio são descritos em U.S. N° Série 61/650,098 e 61/650,093, depositados em 22 de maio de 2012, e na Patente U.S. N° 7,285,402, depositada em 23 de julho de 2001, todos os quais são aqui incorporados por referência. O meio pode ser esterilizado para remover microrganismos indesejáveis e o reator é inoculado com os microrganismos desejados. A esterilização pode nem sempre ser necessária.
[063] Em um aspecto, os microrganismos utilizados incluem bactéria acetogênica. Exemplos de bactéria acetogênica útil incluem aqueles do gênero Clostridium, tais como cepas de Clostridium ljungdahlii, incluindo aquelas descritas em WO 2000/68407, EP 117309, Patente U.S. N°s. 5,173,429, 5,593,886 e 6,368,819, WO 1998/00558 e WO 2002/08438, cepas de Clostridium utoethanogenum (DSM 10061 e DSM 19630 de DSMZ, Alemanha) incluindo aquelas descritas em WO 2007/117157 e WO 2009/151342 e Clostridium ragsdalei (P11 , ATCC BAA-622) e Alkalibaculum bacchi (CPU , ATCC BAA- 1772) incluindo aqueles descritos respectivamente em Patente U.S. N° 7,704,723 e "Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas", Hasan Atiyeh, apresentado em Oklahoma EPSCoR Annual State Conference, 29 de Abril de 2010 e Clostridium carboxidivorans (ATCC PTA-7827) descrito em Pedido de Patente U.S. N° 2007/0276447. Outros microrganismos adequados incluem aqueles do gênero Moorella, incluindo Moorella sp. HUC22-1, e aqueles do gênero Carboxydothermus. Cada destas referências é incorporada aqui por referência. Culturas misturadas de dois ou mais microrganismos podem ser usadas.
[064] Alguns exemplos de bactéria útil incluem Acetogenium kivui, Acetoanaerobium noterae, Acetobacterium woodii, Alkalibaculum bacchi CP11 (ATCC BAA-1772), Blautia producta, Butyribacterium methylotrophicum, Caldanaerobacter subterraneous, Caldanaerobacter subterraneous pacificus, Carboxydothermus hydrogenoformans, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium acetobutylicum P262 (DSM 19630 de DSMZ Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 19630 de DSMZ Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 de DSMZ Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 23693 de DSMZ Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 24138 de DSMZ Alemanha), Clostridium carboxidivorans P7 (ATCC PTA-7827), Clostridium coskatii (ATCC PTA- 10522), Clostridium drakei, Clostridium ljungdahlii PETC (ATCC 49587), Clostridium ljungdahlii ERI2 (ATCC 55380), Clostridium ljungdahlii C-01 (ATCC 55988), Clostridium ljungdahlii O-52 (ATCC 55889), Clostridium magnum, Clostridium pasteurianum (DSM 525 de DSMZ Alemanha), Clostridium ragsdali P11 (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 dos mesmos.
[065] A fermentação deve desejavelmente ser realizada sob condições apropriadas para a fermentação desejada a ocorrer (p.x. CO-a- etanol). Condições de reação que devem ser consideradas incluem pressão, temperatura, taxa de fluxo de gás, taxa de fluxo de líquido, pH do meio, potencial de redox do meio, taxa de agitação (se usando um reator de tanque agitado contínuo), nível de inóculo, concentrações máximas de substrato de gás para assegurar que CO na fase líquida não se torne limitante, e concentrações de produto máxima para evitar a inibição do produto.
[066] Os métodos da invenção podem ser usados para sustentar a viabilidade de uma cultura microbiana, em que a cultura microbiana é limitada em CO, tal como a taxa de transferência de CO na solução é menor que a taxa de captação da cultura. Tais situações podem aparecer quando um substrato compreendendo CO não é continuamente fornecido à cultura microbiana; a taxa de transferência de massa é menor; ou existe CO insuficiente em uma corrente de substrato para sustentar vitalidade da cultura em temperatura ótima. Em tais modalidades, a cultura microbiana irá rapidamente esgotar o CO dissolvido no meio de nutriente líquido e se tornar substrato imitado conforme substrato adicional não pode ser fornecido rápido o suficiente.
[067] Início: Sob inoculação, uma taxa de fornecimento de gás de alimentação inicial é estabelecida eficaz para fornecer a população inicial de microrganismos. Gás efluente é analisado para determinar o teor de gás efluente. Resultados de análise de gás são usados para controlar taxas de gás de alimentação. Neste aspecto, o processo pode fornecer uma concentração de CO calculada para razão de densidade de célula inicial de cerca de 0,5 a cerca de 0,9, em outro aspecto, cerca de 0,6 a cerca de 0,8, em outro aspecto, cerca de 0,5 a cerca de 0,7, e em outro aspecto, cerca de 0,5 a cerca de 0,6.
[068] Noutro aspecto, um processo de fermentação inclui o fornecimento de gás de síntese a um meio de fermentação em uma quantidade eficaz para proporcionar uma concentração inicial calculada de CO no meio de fermentação de cerca de 0,15 mM até cerca de 0,70 mM, noutro aspecto, de cerca de 0,15 mM até cerca de 0,50 mM, noutro aspecto, a cerca de 0,15 mm a cerca de 0,35 mM, noutro aspecto, de cerca de 0,20 mM até cerca de 0,30 mM e, em outro aspecto, a cerca de 0,23 mM a cerca de 0,27 mM. O processo é eficaz para aumentar a densidade das células, em comparação com uma densidade celular de início.
[069] Em um aspecto, um processo para a fermentação de um substrato gasoso contendo CO inclui o fornecimento de um substrato gasoso a um meio de fermentação e mantendo uma condutividade para a absorção de carbono específico contendo CO (SCU em mmol/minuto/ grama de células secas) de acordo com uma fórmula onde SCU = SCUmax - F * condutividade, em que SCUmax = 0 a 3 e F = 0 a 1. A Figura 31 ilustra graficamente esta equação. Neste aspecto, o meio de fermentação tem uma condutividade de aproximadamente 30 mS/cm ou menos, e em outros aspectos, pode ter a condutividade como descrita aqui. Noutro aspecto, F (que é o declive da linha) pode ser de 0 a 1, noutro aspecto, 0,05 a 1, noutro aspecto, 0,1 a 1, noutro aspecto, de 0,2 a 1, noutro aspecto, de 0,3 a 1, noutro aspecto, de 0,4 a 1 e noutro aspecto, de 0,5 a 1.
[070] Em um aspecto, o processo inclui manter uma condutividade (y) a taxa de alimentação de gás específica (x) de acordo com uma fórmula y = +14,2 -10,109x até atingir uma densidade de célula alvo. A Figura 30 ilustra graficamente esta equação. Neste aspecto, o meio de fermentação tem uma condutividade de aproximadamente 30 mS/cm ou menos e, em outros aspectos, pode ter a condutividade como descrito aqui, neste aspecto, x é cerca de 0,2 a cerca de 0,7 mmol/minuto/grama de células. Noutro aspecto, x é cerca de 0,3 a cerca de 0,6 mmol/minuto/grama de células e, noutro aspecto, x é cerca de 0,4 a cerca de 0,5 mmol/minuto/grama de células.
[071] Noutro aspecto, o processo é eficaz para proporcionar uma densidade de células alvo de cerca de 3 a cerca de 30 g/L, noutro aspecto, de cerca de 4 a cerca de 25 g/L, noutro aspecto, de cerca de 5 a cerca de 25 g/L, noutro aspecto, de cerca de 7 a cerca de 25 g/L, noutro aspecto, de cerca de 10 a cerca de 25 g/L, noutro aspecto, de cerca de 12 a cerca de 20 g/L e, noutro aspecto, cerca de 15 a cerca de 20 g/L.
[072] Pós-inicialização: Ao atingir os níveis desejados, a fase líquida e o material celular são retirados do reator e reabastecidos com meio. O processo é eficaz para aumentar a densidade de células a cerca de 2,0 gramas/litro ou mais, noutro aspecto, de cerca de 2 a cerca de 30 gramas/litro, noutro aspecto, cerca de 2 a cerca de 25 gramas/litro, noutro aspecto, cerca de 2 a cerca de 20 gramas/litro, noutro aspecto, cerca de 2 a cerca de 10 gramas/litro, noutro aspecto, cerca de 2 a cerca de 8 gramas/litro, noutro aspecto, cerca de 3 a cerca de 30 gramas/litro, Noutro aspecto, sobre 3 a cerca de 6 gramas/litro e, noutro aspecto, de cerca de 4 a cerca de 5 gramas/litro.
[073] Após atingir uma densidade de células alvo, o processo é eficaz para manter uma densidade de células. A densidade celular pode ser mantida através de reciclo de células. O processo pode utilizar reciclo de células para aumentar ou diminuir a concentração de células no interior do reator, neste aspecto, o líquido efluente do reator é enviado para um separador de células em que as células são separadas e permeadas. As células podem ser enviadas de volta para o reator. A densidade celular pode ser controlada através de um filtro de reciclagem. Alguns exemplos de biorreatores e reciclo de células estão descritos US N° Série 61/571,654 e 61/571, 565, depositados em 30 de junho de 2011, US N° Série 61/573.845, depositado em 13 de setembro de 2011, US N° Série 13/471,827 e 13/471, 858, depositado em 15 de maio de 2012, e US N° Série 13/473, 167, depositado em 16 de maio de 2012, todas as quais são aqui incorporadas por referência.
[074] Em um aspecto, o processo é eficaz para manter uma conversão de H2 de cerca de 25% ou mais. Noutro aspecto, o processo é eficaz para manter uma conversão de H2 de cerca de 25% a cerca de 95%, noutro aspecto, de cerca de 30% a cerca de 90%, noutro aspecto, de cerca de 35% a cerca de 85%, em outro aspecto, cerca de 40% a cerca de 80%, em outro aspecto, a cerca de 40% a cerca de 70%, em outro aspecto, a cerca de 40% a cerca de 60%, e em outro aspecto, cerca de 40% a cerca de 50%.
[075] Noutro aspecto, o processo é eficaz para manter uma absorção de CO em uma faixa de cerca de 0,001 a cerca de 10 mmol/minuto/ grama de células secas. Noutro aspecto, o processo é eficaz para a manutenção da absorção de CO em uma faixa de cerca de 0,001 a cerca de 5 mmol/minuto/grama de células secas, Noutro aspecto, de cerca de 0,001 a cerca de 4 mmol/minuto/grama de células secas, em outra aspecto, cerca de 0,001 a cerca de 3 mmol/grama minuto de células secas, em outro aspecto, de cerca de 0,001 a cerca de 2 mmol/minuto/ grama de células secas, em outro aspecto, de cerca de 0,001 a cerca de 1 mmol/minuto/grama de células secas, noutro aspecto, de cerca de 0,05 a cerca de 9 mmol/minuto/grama de células secas, em outro aspecto, de cerca de 0,05 a cerca de 5 mmol/minuto/grama de células secas, em outro aspecto, de cerca de 0,05 a cerca de 4 mmol/minuto/ grama de células secas, em outro aspecto, de cerca de 0,05 a cerca de 3 mmol/minuto/grama de células secas, em outro aspecto, de cerca de 0,05 a cerca de 2 mmol/minuto/grama de células secas, em outro aspecto, de cerca de 0,05 a cerca de 1 mmol/minuto/grama de células secas, em outro aspecto, de cerca de 1 a cerca de 8 mmol/minuto/grama de células secas, em outro aspecto, cerca de 1 a cerca de 5 mmol/minuto /grama de células secas, em outro aspecto, cerca de 1 a cerca de 4 mmol/minuto/grama de células secas, em outro aspecto, de cerca de 1 a cerca de 3 mmol /minuto /grama de células secas e, noutro aspecto, de cerca de 1 a cerca de 2 mmol/minuto/grama de células secas .
[076] Em um aspecto, o processo é eficaz para proporcionar uma conversão de CO de cerca de 5 a cerca de 99%. Noutro aspecto, a conversão de CO é de cerca de 10 a cerca de 90%, noutro aspecto, de cerca de 20 a cerca de 80%, noutro aspecto, de cerca de 30 a cerca de 70%, noutro aspecto, de cerca de 40 a cerca de 60%, noutro aspecto, cerca de 50 a cerca de 95%, noutro aspecto, de cerca de 60 a cerca de 95%, noutro aspecto, de cerca de 70 a cerca de 95% e, noutro aspecto, de cerca de 80 a cerca de 95%.
[077] A utilização de meios formulado para ter uma condutividade inferior e/ou ajuste de condutividade por meio de diluição são eficazes para controlar a condutividade do meio. Em um aspecto, o processo é eficaz para proporcionar uma condutividade média de cerca de 30 mS/cm ou menos, noutro aspecto, de cerca de 25 mS/cm ou menos, noutro aspecto, de cerca de 20 mS/cm ou menos, noutro aspecto, 16 mS/cm ou menos, noutro aspecto, de cerca de 12 mS/cm ou menos, noutro aspecto, a cerca de 8 mS/cm ou menos, noutro aspecto, a cerca de 6,5 mS/cm ou menos, noutro aspecto, a cerca de 6,0 mS/cm ou menos, noutro aspecto, a cerca de 5,5 mS/cm ou menos, noutro aspecto, a cerca de 5,0 mS/cm ou menos, Noutro aspecto, a cerca de 4,7 mS/cm ou menos, noutro aspecto, a cerca de 4,5 mS/cm ou menos, noutro aspecto, a cerca de 4,0 mS/cm a cerca de 6,5 mS/cm, noutro aspecto, a cerca de 5,0 mS/cm a cerca de 6,0 mS/cm e, noutro aspecto, a cerca de 4,0 mS/cm a cerca de 5,0 mS/cm.
[078] De acordo com um aspecto, o processo de fermentação é iniciado por adição de um meio adequado para o vaso do reator. O líquido contido no vaso do reator pode incluir qualquer tipo de meio nutriente apropriado ou meio de fermentação. O meio nutriente inclui vitaminas e minerais eficazes para permitir o crescimento do microrganismo a ser usado. Meio anaeróbico adequado para a fermentação de etanol utilizando CO como uma fonte de carbono são conhecidos. Um exemplo de um meio de fermentação adequado está descrito na Patente US N° 7.285.402, que é aqui incorporado por referência. Outros exemplos de forma adequada são descritos em US N° de série 61/650,098 e 61/650,093, ambos depositados em 22 de maio de 2012, e que são ambos aqui incorporados por referência. Em um aspecto, o meio utilizado inclui menos do que cerca de 0,01 g/L de extrato de levedura e menos do que cerca de 0,01 g L carboidratos.
[079] Substituição de Íon Cloreto: Em um aspecto, o processo proporciona meios que têm uma condutividade média de menos do que cerca de 30 mS/cm, substituindo os íons cloreto na forma com um íon não-cloreto. Mais especificamente, o cloreto de amônio pode ser substituído com uma fonte de nitrogênio selecionada a partir do grupo que consiste de hidróxido de amônio, acetato de amônio, carbonato de amônio, bicarbonato de amônio e suas misturas.
[080] Em um aspecto, a forma inclui, pelo menos, uma ou mais de uma fonte de nitrogênio, pelo menos um ou mais fonte de fósforo e pelo menos uma ou mais de uma fonte de potássio. O meio pode incluir qualquer um dos três, qualquer combinação dos três, e em um aspecto importante, inclui todos os três. Uma fonte de fósforo pode incluir uma fonte de fósforo selecionado a partir do grupo que consiste em ácido fosfórico, fosfato de amônio, fosfato de potássio, e suas misturas. Uma fonte de potássio pode incluir uma fonte de potássio selecionado a partir do grupo que consiste de cloreto de potássio, fosfato de potássio, nitrato de potássio, sulfato de potássio, e suas misturas.
[081] Em um aspecto, o meio inclui um ou mais de ferro, tungstênio, níquel, cobalto, magnésio, enxofre e tiamina. O meio pode incluir qualquer um destes componentes, qualquer combinação, e em um aspecto importante, inclui todos esses componentes. Um ferro de engomar pode incluir uma fonte de ferro selecionada a partir do grupo que consiste em cloreto ferroso, sulfato ferroso, e as suas misturas. Uma fonte de tungstênio pode incluir uma fonte de tungstênio selecionada do grupo consistindo de tungstato de sódio, tungstato de cálcio, tungstato de potássio, e suas misturas. Uma fonte de níquel pode incluir uma fonte de níquel selecionada do grupo consistindo de cloreto de níquel, sulfato de níquel, nitrato de níquel, e suas misturas. Uma fonte de cobalto pode incluir uma fonte de cobalto selecionado de entre o grupo que consiste de cloreto de cobalto, fluoreto de cobalto, brometo de cobalto, iodeto de cobalto e as suas misturas. Uma fonte de magnésio pode incluir uma fonte de magnésio selecionado de entre o grupo que consiste em cloreto de magnésio, sulfato de magnésio, fosfato de magnésio, e misturas dos mesmos. A fonte de enxofre pode incluir cisteína, sulfito de sódio, e suas misturas.
[082] As concentrações de vários componentes são como se segue:
[083] O processo de operação mantém um pH em uma faixa de cerca de 4,2 a cerca de 4,8. O meio inclui menos do que cerca de 0,01 g/L de extrato de levedura e menos do que cerca de 0,01 g/L carboidratos.
[084] Noutro aspecto, o processo de controlar a condutividade do meio através da diluição de meio. Neste aspecto, uma vez que a fermentação atinge uma condutividade de aproximadamente 30 mS/cm, o processo inclui a adição de água ou um meio de baixa condutividade para a fermentação em uma quantidade eficaz para diminuir a condutividade do meio.
[085] Clostridium ljungdahlii foi cultivado em um biorreator (New Brunswick Bioflo I ou IIc). Foram feitos os seguintes ajustes:
[086] A condutividade da cultura foi ajustada, ajustando a força do meio de crescimento, por exemplo, a concentração de todos os componentes, exceto vitamina no meio de crescimento foi aumentada em 1,5 vezes para aumentar a condutividade da cultura a partir de cerca de 7 mS a cerca de 9,5 mS.
[087] Todas as experiências foram iniciadas com a densidade de células inicial de 0,38 (+/- 0,02) ou 0,48 g/L.
[088] A taxa de fluxo de gás inicial de cada experimento foi mantida inalterada durante todo o experimento. Parâmetros de reatores, quando os valores de conversão de CO chegaram a um platô depois de um bem- sucedido início, foram utilizados para calcular KLa para as condições relevantes.
[089] A composição do singás foi de 30% de CO, 15% de H2 10% de CO2 e 45% de N2.
[090] Biorreator Ensaio # 1: 1x meio de crescimento e 25 ml/min de taxa de alimentação de singás foi utilizado nesta experiência. Como mostrado na Figura 1, depois de um período de atraso inicial de cerca de 20 horas as bactérias começaram a multiplicar-se em um tempo de duplicação de cerca de 20 horas. CO dissolvido calculado máximo foi de cerca de 0,22 mmol no caldo do reator. (D CO: concentração de CO dissolvido no caldo reator, CD: Densidade celular, captação de CO específico SCU)
[091] Biorreator Ensaio # 2: 1x meio de crescimento e 35 ml/min de taxa de alimentação de singás foi utilizado nesta experiência. Como mostrado na Figura 2, após o período de atraso inicial de cerca de 36 horas as bactérias começaram a multiplicar-se em um tempo de duplicação de cerca de 20 horas. CO dissolvido calculado máximo foi de cerca de 0,22 mmol no caldo do reator.
[092] Biorreator Ensaio # 3: 1x de meio de crescimento e 40 ml/min de taxa de alimentação de singás foi utilizado nesta experiência. Como mostrado na Figura 3, após o período de atraso inicial de cerca de 45 horas as bactérias começaram a multiplicar-se em um tempo de duplicação de cerca de 20 horas. CO dissolvido calculado máximo foi de cerca de 0,22 mmol no caldo do reator.
[093] Biorreator Ensaio # 4: 1x de meio de crescimento e 45 ml/min de taxa de alimentação de singás foi utilizado nesta experiência. Como mostrado na Figura 4, após o período de atraso inicial de cerca de 50 horas as bactérias começaram a multiplicar-se em um tempo de duplicação de cerca de 20 horas. CO dissolvido calculado máximo foi de cerca de 0,17 mmol no caldo do reator.
[094] Biorreator Ensaio # 5: 1x de meio de crescimento e 50 ml/min de taxa de alimentação de singás foi utilizado nesta experiência. Como mostrado na Figura 5, cultura continuou após o período de atraso inicial de cerca de 70 horas após inoculação. CO dissolvido calculado máximo foi de cerca de 0,23 mmol no caldo do reator.
[095] Biorreator Ensaio # 6: 1x de meio de crescimento e 50 ml/min de taxa de alimentação de singás foi utilizado nesta experiência. Este experimento foi iniciado com um inóculo de 4,8 g/L de bactéria. Como mostrado na Figura 6, após o período de atraso inicial de cerca de 10 horas as bactérias começaram a multiplicar-se em um tempo de duplicação de cerca de 20 horas. CO dissolvido calculado máximo foi de cerca de 0,12 mmol no caldo do reator.
[096] Biorreator Ensaio # 7: 1,5 x de meio de crescimento e 45 ml/min de taxa de alimentação de singás foi utilizado nesta experiência. Este experimento foi iniciado com um inóculo de 3,8 g/L de bactéria. Como mostrado na Figura 7, densidade de célula de bactéria diminuiu com tempo.CO dissolvido calculado máximo foi de cerca de 0,25 mmol no caldo do reator.
[097] Biorreator Ensaio # 8: 1,5 x de meio de crescimento e 35 ml/min de taxa de alimentação de singás foi utilizado nesta experiência. Este experimento foi iniciado com um inóculo de 3,8 g/L de bactéria. Como mostrado na Figura 8, densidade de célula de bactéria diminuiu com tempo.CO dissolvido calculado máximo foi de cerca de 0,22 mmol no caldo do reator.
[098] Biorreator Ensaio # 9: 1,5 x de meio de crescimento e 30 ml/min de taxa de alimentação de singás foi utilizado nesta experiência. Este experimento foi iniciado com um inóculo de 3,8 g/L de bactéria. Como mostrado na Figura 9, densidade de célula de bactéria diminuiu com tempo.CO dissolvido calculado máximo foi de cerca de 0,22 mmol no caldo do reator.
[099] Biorreator de Ensaio # 10: foi utilizado o de 1,5 x de meio de crescimento e 30 ml/min de taxa de alimentação de singás nesta experiência. Este experimento foi iniciado com um inóculo de 3,8 g/L de bactéria. Como mostrado na Figura 9, densidade de célula de bactéria diminuiu com tempo.CO dissolvido calculado máximo foi de cerca de 0,22 mmol no caldo do reator.
[100] Clostridium ljungdahlii C-01 foi cultivado em um biorreator (Bioflo/CelliGen 115) com o seguinte meio.
[101] Para cada experiência, o NH4Cl foi omitido do meio e substituído por equivalentes molares de um dos compostos que contêm nitrogênio descreve abaixo.
[102] O pH destes meios foi ajustado para ~ 4.0 - 4.4. O carbonato de amônio também foi testado como uma solução de base usando tanto 0,25M (24,02 g/L) e 0,125 M (12,01 g/L) concentrações como substituto para 7,7% NaHCO3.
[103] A captação de carbono específico de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo cloreto de amônio é mostrada na Figura 11.
[104] A produtividade específica de etanol de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo cloreto de amônio é mostrada na Figura 12.
[105] A captação de carbono específico de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo 1-lisina é mostrada na Figura 13.
[106] A produtividade específica de etanol de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo 1-lisina é mostrada na Figura 14.
[107] A condutividade de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo 1-lisina é mostrada na Figura 15.
[108] A captação de carbono específico de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo acetato de amônio é mostrada na Figura 16.
[109] A produtividade específica de etanol de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo acetato de amônio é mostrada na Figura 17.
[110] A condutividade de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo acetato de amônio é mostrada na Figura 18.
[111] A captação de carbono específico de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo carbonato de amônio é mostrada na Figura 19.
[112] A produtividade específica de etanol CL crescendo em meio contendo carbonato de amônio é mostrada na Figura 20.
[113] A condutividade de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio contendo carbonato de amônio é mostrada na Figura 21.
[114] Captação de carbono específico de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio com base de carbonato de amônio como é mostrado na Figura 22.
[115] A produtividade específica de etanol CL crescendo em meio com base de carbonato de amônio como é mostrado na Figura 23.
[116] A condutividade de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio com base de carbonato de amônio como é mostrado na Figura 24.
[117] Captação de carbono específicos de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio com bicarbonato de amônio é mostrado na Figura 25.
[118] A produtividade específica de etanol Clostridium ljungdahlii crescendo em meio com bicarbonato de amônio é mostrada na Figura 26.
[119] A condutividade de Clostridium ljungdahlii crescendo em meio com bicarbonato de amônio é mostrada na Figura 27.
[120] As seguintes Tabelas resumem os resultados. Captação de Carbono Específico e Produtividade de Etanol Específico
Condutividade de Meio Fermentador (mS/cm) * Usa o valor iniciar do experimento de Lisina (8,07 mS/cm) que o valor da linha de base ** Omite medições afastadas próximas do início do experimento. Concentração do Íon Amônio
[121] Os resultados indicam que os compostos nitrogenados, especialmente os que contêm íons de amônio, podem ser utilizados como substitutos de cloreto de amônio. L-lisina usada na forma não foi bem- sucedida como uma fonte de nitrogênio para se obter alta eficiência. Utilização de lisina levou a ganhos iniciais, tanto a captação específica de carbono (SCU) e produtividade de etanol específico (SEP), mas em última análise, levou a uma diminuição marcada em ambas as métricas. O valor bruto de SCU foi reduzido em 58%, enquanto o valor bruto para SEP foi reduzido em 47%. SCU médio foi reduzido em 26%, uma mudança significativa. SEP médio foi aumentado em 12%, mas esse aumento não foi estatisticamente significativo devido a um grande desvio padrão. A densidade celular diminuiu durante o curso da experiência de 2,03 g/l para 1,02 g/l. Valor bruto de condutividade diminuiu 71%, de 8,07 mS/cm a 2,30 mS/cm, com uma média ao longo do tempo da experiência de 3,291 mS/cm. A maior parte das vezes nesta experiência, a condutividade foi inferior a 3,0 mS/cm.
[122] O acetato de amônio como fonte de nitrogênio no meio conduziu a um ligeiro aumento de apenas 11% em SCU médio, um valor que não é estatisticamente significativo. No entanto, o valor bruto de SCU diminuiu desde o início até ao fim da experiência (0,943 vs 0,830), uma queda de 12%. Houve um aumento significativo de 37% em SEP médio em comparação com médias da linha de base. O valor bruto para SEP aumentou durante o experimento de 6,43 a 8,57, um aumento de 25%. Condutividade durante esta experiência diminuiu em 58%, para um baixo de 3,32 mS/cm (utilizando o valor inicial do experimento lisina como uma linha de base para a condutividade em meio de PP-A1), com um valor médio de 4,027 mS/cm. Para a maior parte da experiência, o valor da condutividade foi inferior a 4,0.
[123] Quando o carbonato de amônio foi utilizado no meio como uma fonte de nitrogênio, foram observados aumentos significativos em ambos SCU e SEP. SCU aumentou 19% e SEP aumentou 57%. Os valores brutos para SCU e SEP diminuíram durante o experimento em 15% e 23%, respectivamente. Condutividade durante esta experiência diminuiu em 46%, para um valor mínimo de 4,33 mS/cm, com um valor médio de 4.839 mS/cm.
[124] O carbonato de amônio também foi testado como fonte de nitrogênio, omitindo o composto da fórmula do meio em vez de utilizar como a solução de base. Este método de fornecimento de carbonato de amônio resultou em aumentos globais significativos em SCU (1%) e SEP (41%) versus a linha de base. Foram usadas duas concentrações diferentes de carbonato de amônio, 0,25 M e 0,125 M, e obtiveram-se resultados ligeiramente diferentes para cada um. Cada concentração rendeu significativamente mais SCU e SEP que a linha de base do reator. Cada concentração de base resultou em valores ligeiramente diferentes para as duas métricas de medição, mas o desvio padrão de medições se sobrepõem uns aos outros. A condutividade foi diminuída para as duas soluções de base em 71% (0,25 M) e 78% (0,125 M) para os respectivos pontos baixos de 2,34 mS/cm e 1,77 mS/cm. As médias foram 3,065 mS/cm e 1,982 mS/cm, respectivamente. A concentração do íon amônio no reator foi medida imediatamente antes e durante toda a duração do carbonato de amônio como experimento base. Os resultados destas medições mostram que o reator foi fornecido com excesso de íon amônio (50-62%) durante o ensaio.
[125] O bicarbonato de amônio também foi testado como aditivo para o meio. Os dados experimentais mostram que houve aumentos significativos em ambos SCU e SEP. SCU médio foi aumentado acima da linha de base em 19% e SEP médio foi aumentado acima da linha de base em 53%. A condutividade durante esta experiência diminuiu em 50%, para uma baixa de 4,02 mS/cm, com um valor médio de 4,3 mS/cm. A concentração de íons de amônio também foi monitorada durante esta fase da experiência. Os valores mostram que o íon estava em excesso de 26% no reator.
[126] Clostridium Ijungdahlii C-01 foi cultivado em um biorreator (Bioflo/CelliGen 115) com o seguinte meio. O fluxo de meio médio por grama de células foi de 1 ml/g/minuto.
[127] Neste experimento de 21 dias a condutividade do caldo de cultura foi aumentado usando NaCl. Cada adição de NaCl a determinados intervalos é mostrada na Figura 28, de acordo com o seguinte esquema.
[128] Concentrações de NaCl após cada adição.
[129] A condutividade da cultura aumentou com cada adição de NaCl. A captação de carbono específico (SCU), um indicador da atividade da cultura foi medido através do experimento. A Figura 28 mostra que, com cada adição de NaCl o SCU foi diminuído durante um período de tempo, mas iria recuperar depois de um curto período de adaptação.
[130] A Figura 28 pode ser dividida em três áreas de interesse; 0 500 horas (1), 500 - 1100 horas (2), e 1100-1200 horas. Área 1, onde a condutividade foi inferior a 15 mS/cm, mostra adição de NaCl tem menos impacto sobre o SCU: apenas pequenas perdas de SCU seguidas por recuperações completas. Área 2, onde a condutividade é acima de 15 mS/cm, mostra adição de NaCl tem um impacto maior sobre SCU: grandes oscilações de SCU. Nesta área, as adições de NaCl causou grandes quedas em SCU seguido por grandes balanços para cima. Na área final, quando a condutividade subiu para cerca de 30 mS/cm ou cultura maior perdeu sua atividade.
[131] Clostridium ljungdahlii C-01 foi cultivada em um biorreator (Bioflo/CelliGen 115) com a mesma forma como descrito no Exemplo 3. O fluxo médio de meio por grama de células foi de 1,1 ml/g/minuto.
[132] Nesta experiência de 10 dias, a concentração de NaCl no caldo foi aumentada duas vezes mais rapidamente a taxa de aumento da concentração de NaCl no Exemplo 3 de acordo com o seguinte esquema.
[133] Concentrações de NaCl após cada adição.
[134] A Figura 29 mostra SCU da cultura em diferentes condutividades. Como no exemplo 3, a cultura perdeu a sua atividade, quando a condutividade da cultura atingiu cerca de 30 mS/cm.
[135] Clostridium ljungdahlii C-01 foi cultivada em um biorreator (Bioflo/CelliGen 115) com a mesma forma como descrito no Exemplo 3.
[136] A condutividade da cultura foi ajustada, ajustando a força do meio de crescimento, por exemplo, a concentração de todos os componentes, exceto a vitamina no meio de crescimento foi aumentada em 1,5 e 2 vezes para aumentar a condutividade da cultura a partir de ~7 mS para ~ 9,5 mS e ~ 12 mS, respectivamente.
[137] As experiências foram iniciadas com a densidade de células inicial de 0,38 (+/- 0,02) ou 0,785 g/l. Composição do singás foi de 30% de CO, 15% de H2, 10% de CO2 e 45% de N2. Várias experiências iniciais foram realizadas em cada condutividade de cultura dada para determinar (que pode ser usada praticamente) a taxa de alimentação de gás apropriada para uma dada condutividade específica de cultura. Através destas experiências, a taxa de alimentação de gás apropriado foi determinada para uma determinada condutividade de cultura. Tal como ilustrado na Figura 30, a taxa de alimentação apropriada/funcional de CO foi representada graficamente contra a condutividade de cultura, onde A taxa de alimentação de CO específica = quantidades molares de CO por grama de células A taxa de alimentação de CO adequada/funcional = a taxa de alimentação de CO que C-01 pode dobrar dentro de 40 horas.
[138] Embora a invenção aqui revelada tenha sido descrita por meio de exemplos, modalidades específicas e das suas aplicações, numerosas modificações e variações podem ser feitas ao mesmo por aqueles peritos na arte sem se afastar do escopo da invenção estabelecido nas Reivindicações.
Claims (5)
1. Processo Para Fermentar Substrato Gasoso Contendo CO Para Produzir Etanol, caracterizado por que compreende: fornecer um substrato gasoso contendo CO a um meio de fermentação; contactar o meio de fermentação contendo CO resultante com uma ou mais bactérias acetogênicas; determinar uma captação de carbono específica do substrato gasoso contendo CO pela uma ou mais bactérias acetogênicas no meio de fermentação contendo CO e medir a condutividade do meio de fermentação contendo CO fornecer o substrato gasoso contendo CO ao meio de fermentação contendo CO compreendendo a uma ou mais bactérias acetogênicas em uma quantidade eficaz para manter uma condutividade de 4 a 30 mS/cm e onde a SCU da uma ou mais bactérias acetogênicas é de 0,0001 a 3, em que SCU é a taxa de captação específica de carbono por uma ou mais bactérias acetogênicas no meio de fermentação contendo CO, medido como mmole/minuto/grama de células secas, de acordo com uma fórmula onde SCU = SCUmax — F*condutividade, em que SCUmax = 0 a 3 e F = 0,05 a 1.
2. Processo Para Fermentar Substrato Gasoso Contendo CO Para Produzir Etanol, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o processo é eficaz para manter um rendimento espaço tempo (STY) de 10 g de etanol/L-dia ou mais.
3. Processo Para Fermentar Substrato Gasoso Contendo CO Para Produzir Etanol, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o substrato gasoso contendo CO compreende CO2 e tem uma razão CO/CO2 de 0,75 ou mais.
4. Processo Para Fermentar Substrato Gasoso Contendo CO Para Produzir Etanol, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que a uma ou mais bactérias acetogênicas é selecionada do grupo que consiste em Acetogenium kivui, Acetoanaerohium noterae, Acetobacterium woodii, Alkalibaculum bacchi CP11 (ATCC BAA-1772), Blautia producta, Butyribacterium methylotrophicum, Caldanaerobacter subterraneous, Caldanaerobacter subterraneous pacificus, Carboxydothermus hydrogenoformans, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutyltcum, Clostridium acetobutylicum P262 (DSM 19630 de DSMZ Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 19630 de DSMZ Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 de DSMZ Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 23693 de DSMZ Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 24138 de DSMZ Alemanha), Clostridium carboxidivorans P7 (ATCC PTA-7827), Clostridium coskatii (ATCC PTA- 10522), Clostridium drakei, Clostridium ljungdahlii PETC (ATCC 49587), Clostridium ljungdahlii ERI2 (ATCC 55380), Clostridium ljungdahlii C-01 (ATCC 55988), Clostridium ljungdahlii 0-52 (ATCC 55889), Clostridium magnum, Clostridium pasteurianum (DSM 525 de DSMZ Alemanha), Clostridium ragsdali P11 (ATCC BAA-622), Clostridium scatologenes, Clostridium thermoaceticum, Clostridium ultunense, Desulfotomaculum kuznetsovii, Eubacterium limosum, Geobacter sulfur reducens, Methanosarcina acetivorans, Methanosarctna barkeri, Morrella thermoacetica, Morrella thermoautotrophica, Oxobacter pfennigii, Peptostreptococcus productus, Ruminococcus productus, Thermoanaerobacter kivui, e misturas dos mesmos.
5. Processo Para Fermentar Substrato Gasoso Contendo CO Para Produzir Etanol, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o meio de fermentação contendo CO inclui hidróxido de amônio como fonte de nitrogênio.
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