BR112016001777B1 - Sistema de reator para a fermentação de um substrato gasoso, e, métodos para melhorar a transferência de massa de um substrato gasoso e para reduzir a espuma no espaço superior de um recipiente de fermentação - Google Patents

Abstract

sistema de reator para a fermentação de um substrato gasoso, e, métodos para melhorar a transferência de massa de um substrato gasoso e para reduzir a espuma no espaço superior de um recipiente de fermentação. um sistema de reator é fornecido para melhor fermentação de um substrato gasoso através da introdução de um ciclo secundário para um reator de ciclo de circulação forçada. o reator compreende um ciclo primário através do qual o caldo de fermentação compreendendo um substrato gasoso é circulado através de um segmento de subida e uma seção de descida por uma bomba de ciclo. à jusante da bomba de ciclo uma porção do caldo de fermentação é retirada da seção de descida e é direcionada para o topo do reator através de um ciclo secundário. ainda é fornecido um método para melhorar a transferência de massa de um substrato gasoso para um caldo de fermentação em um recipiente de fermentação compreendendo um ciclo secundário. ainda é fornecido um método para reduzir a espuma no espaço superior do recipiente de fermentação compreendendo um ciclo secundário.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A invenção refere-se aos sistemas e métodos para melhorar um reator de ciclo externo de circulação forçada. Em particular, a invenção introduz um ciclo secundário para um reator de ciclo externo de circulação forçada que regula a retenção do gás no reator e permite melhor controle de espuma.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] Combustíveis e substâncias químicas produzidas pela síntese de gás (singas) ou off-gás industrial contendo CO representa uma alternativa principal para combustível fóssil e substâncias químicas derivadas do mesmo. A conversão catalítica química destes gases em combustíveis ou substâncias químicas é cara ou comercialmente não atrativa. Ao invés, a conversão biológica destes gases em combustíveis e substâncias químicas (conhecida como fermentação de gás), tem várias vantagens sobre os processos catalíticos, incluindo maior especificidade, maiores rendimentos, menores custos de energia e maior resistência ao envenenamento.

[003] A eficiência da fermentação de gás é conhecida por ser principalmente limitada por uma baixa taxa de transferência de massa de gás líquido devido à baixa solubilidade dos substratos gasosos (por exemplo, CO e H2) em líquidos. A eficiência da transferência de massa, ou taxa de transferência de massa volumétrica, é fornecida como segue:

[004] Em que é a taxa em que o substrato gasoso é transferido para a fase líquida; kLa é o coeficiente de transferência de massa volumétrico, consiste em coeficiente de transferência de massa lateral líquida kL e a área de superfície de transferência de massa específica, a. C* é a concentração de saturação do gás no líquido (isto é, a solubilidade) que é proporcional à pressão parcial do substrato gasoso e CL é a concentração de gás real no líquido, a diferença entre os dois, isto é, (C* - CL) é a força de direcionamento de transferência de massa. Sob condições limitadas de transferência de massa pura, CLÃ20"VR é o volume úmido do reator e é a soma do volume de gás e o volume líquido.

[005] Portanto, de modo a melhorar a eficiência de transferência de massa, é necessário aumentar o kLa ou a força de direcionamento. A força de direcionamento pode ser melhorada pelo uso de alta pressão; entretanto, tais métodos são de alto custo conforme a compressão do gás é requerida. Geralmente é mais preferencial aumentar o kL e/ou a. Enquanto kL é uma propriedade intrínseca do líquido e do gás, significando que é difícil para mudar, a tem uma relação simples com a retenção de gás, iG, e o raio médio de bolha, rb, ambos dos quais podem ser facilmente manipulados. A relação é como segue:

[006] A equação acima dita que a área de transferência de massa específica pode ser aumentada por um aumento na retenção de gás, iG, ou diminuição no tamanho de bolha, rb, ou combinação de ambos. Infelizmente, a maioria de tais métodos tende a gerar uma grande quantidade de espuma, que pode bloquear oleodutos à jusante do biorreator. Portanto, quando medidas são tomadas para aumentar a área de superfície de transferência de massa, deve ser dada uma atenção especial ao controle de espuma.

[007] Uma alta taxa de transferência de massa é geralmente desejável para a fermentação a gás. Entretanto, o processo pode sofrer pela inibição do substrato se a taxa de transferência de massa é maior que a taxa de reação máxima que os micróbios podem fornecer. Por exemplo, uma alta concentração de CO dissolvida resulta em um lento crescimento dos micróbios e lenta captação de H2, e se tais condições duram por um período de tempo prolongado, a cultura pode lentamente morrer (Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations, J.L. Vega, E.C., Clausen and J.L. Gaddy, 1990, Resources, Conservation and Recycling, Vol 3, Pages 149-160; Effect of CO partial pressure on cell-recycled continuous CO fermentation by Eubacterium limosum KIST612, I.S. Chang, B.H. Kim, R.W. Lovitt, J.S. Bang, 2001, Process Biochemistry, Vol 37, Page 411-421). Tais eqpfk>õgu fg “uwrgtcdcuVgekogpVq” rqfgo qeqttgt inqdcnogpVg go wo tgcVqt de pequena escala, bem misturado, mas pode também ocorrer em um reator de grande escala em que há alta concentração de CO dissolvido local, tipicamente no fundo em que o gás é introduzido e a pressão parcial de CO é alta.

[008] Portanto, um reator de escala comercial para fermentação de gás necessita fornecer uma alta taxa de transferência de massa gás para líquido, e também necessita ser flexível de modo que a taxa de transferência de massa possa ser regulada quando necessário. Controle de espuma eficaz também é um requisito.

[009] Em escala de bancada, a fermentação de gás é tipicamente conduzida em reatores de tanque de agitação contínua (CSTR). Entretanto, estes são inapropriados para a aplicação em escala comercial devido ao alto consumo de energia e outras questões. Ao invés, colunas de bolha com ou sem ciclos internos ou externos podem ser utilizadas para fermentação de gás em larga escala. Reatores de ciclo externo de circulação forçada são um tipo de reator de coluna de bolha em que o líquido é forçado a circular entre uma coluna principal (de subida) e um ciclo externo (de descida) por uma bomba, aqui referida como bomba de ciclo.

[0010] Em configurações conhecidas de reator de ciclo de circulação forçada, a velocidade da bomba de ciclo tem dois efeitos principais na hidrodinâmica e transferência de massa do sistema: (a) um aumento na velocidade da bomba de ciclo aumenta o arraste de gás da subida para a descida, que tende a aumentar a subida e reter a descida e, portanto, melhora a transferência de massa; (b) um aumento na velocidade de bomba de ciclo aumenta a velocidade do líquido na subida, que tende a desgastar as bolhas de gás na subida rápida e diminui a retenção de gás e reduz o tempo de residência do gás. Inversamente, se a velocidade da bomba de ciclo é reduzida, as bolhas de gás na subida podem ficar por um longo período de tempo, mas o arraste de gás dentro da descida será substancialmente menor, que poderia reduzir a taxa de reação na descida e o desempenho geral do reator. Em adição, como o gás introduzido no fundo da subida tem um maior conteúdo de CO, uma baixa velocidade de bomba de ciclo em um reator profundo agrava a inibição do substrato.

[0011] Portanto, uma bomba de ciclo é ineficaz em termos de regular a transferência de massa devido a seus efeitos competitivos no arraste de gás e velocidade do líquido na subida. É um objeto da presente invenção fornecer meio de desacoplar os efeitos de competição da bomba de ciclo e fornecer regulação de transferência de massa mais eficaz aqui, assim como melhor controle de espuma e menor consumo de energia geral. Além disso, a presente invenção supera desvantagens conhecidas na técnica e fornece ao público novos métodos para a produção ótima de uma variedade de produtos úteis. Mesmo pequenas melhoras para um processo de fermentação de gás ou sistema para produção de um ou mais produtos podem ter um impacto significativo na eficiência e, mais particularmente, a viabilidade comercial de tal processo ou sistema.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0012] Em um primeiro aspecto, é fornecido um sistema de reator para a fermentação de um substrato gasoso, o sistema compreendendo:(a) Um recipiente de fermentação compreendendo uma seção de subida em que um caldo de fermentação líquido e o substrato gasoso são fluídos concorrentemente para cima e uma seção de descida em que o caldo de fermentação líquido e o substrato gasoso são fluídos concorrentemente para baixo, as referidas seções de subida e descida conectadas por seções substancialmente horizontais e configuradas de modo que o caldo de fermentação líquido e o substrato gasoso são circulados, utilizando meios de bombeamento, em um ciclo primário de um ponto próximo do fundo da seção de descida, através da subida para um ponto de entrada no topo da seção de descida;(b) Um ciclo secundário compreendendo uma saída localizada em um ponto próximo do fundo da seção de subida, meios de tubulação conectando a saída do fundo da seção de subida para uma entrada no topo da subida e meios de bombeamento localizados entre o ponto de saída e o ponto de entrada de modo que o caldo de fermentação e o substrato gasoso sejam circulados do fundo da descida para o topo da seção de subida;(c) Pelo menos uma entrada de gás, configurada para dirigir o substrato gasoso dentro da seção de subida; e(d) Pelo menos uma saída de gás, configurada para deixar o gás para sair da seção de subida.

[0013] Em modalidades particulares do primeiro aspecto, o biorreator é configurado para a fermentação de um substrato gasoso para produzir produtos compreendendo pelo menos um ácido ou álcool ou mistura dos mesmos. Em modalidades particulares, o substrato gasoso compreende CO e opcionalmente H2. Em ainda modalidades alternativas, o substrato gasoso compreende CO2 e H2.

[0014] Em modalidades particulares do primeiro aspecto, o reator compreende um ciclo primário, que é compreendido de uma seção de subida e uma seção de descida, e um ciclo secundário. Em modalidades particulares, o ciclo secundário remove o caldo de fermentação da seção de descida do recipiente de fermentação. Em modalidades particulares, o ciclo secundário remove o caldo de fermentação da descida do bombeamento de ciclo primário. Em modalidades particulares, o caldo de fermentação é retirado à jusante da bomba do ciclo primário por meio de uma bomba secundária.

[0015] Em modalidades alternativas, a seção de descida do recipiente de fermentação compreende uma válvula de porta localizada à montante da saída do ciclo secundário. Nesta modalidade, o caldo de fermentação pode ser retirado da seção de descida para o ciclo secundário pela restrição do fluxo do ciclo primário utilizando uma válvula de porta. Ao ajustar a abertura da válvula de porta, a pressão à jusante da bomba de ciclo, mas à montante da válvula de porta, pode ser regulada para fornecer uma taxa de fluxo de ciclo secundário desejada. Em certas modalidades, a pressão na descida é monitorada por um medidor de pressão. Esta configuração elimina o requisito de uma bomba de ciclo secundário.

[0016] Em modalidades particulares, a retirada do caldo de fermentação da seção de descida é circulada através do ciclo secundário no topo do recipiente de fermentação. Em modalidades particulares, o caldo de fermentação e o substrato gasoso são circulados através de um ciclo secundário da menor porção da seção de descida para o topo da seção de subida. Em modalidades particulares, o caldo de fermentação sai do ciclo secundário de pelo menos um bocal no topo do recipiente de fermentação. Em uso, o pelo menos um bocal pulveriza o caldo de fermentação circulado dentro no espaço superior do recipiente de fermentação. Em modalidades particulares, o caldo de fermentação circulado é pulverizado dentro do espaço superior por múltiplos bocais. Em modalidades particulares, o pelo menos um bocal é uma cabeça de chuveiro. Em modalidades particulares, a velocidade do jato líquido ou jatos saindo do bocal ou bocais pode variar de cerca de 0,5 m/s ou para cerca de 5 m/s. Em uso, o jato líquido ou jatos cobrem pelo menos uma porção da área de seção transversal do espaço superior. Sob condições típicas de fermentação, uma camada de espuma existe no espaço superior do recipiente de fermentação. Em certas modalidades, o caldo de fermentação circulado é pulverizado dentro do espaço superior de modo a quebrar bolhas grandes na espuma. Este processo resulta em bolhas menores que são mais eficientemente arrastadas para a seção de descida, que aumenta a retenção do gás na seção de descida.

[0017] Em uma modalidade particular, o ciclo secundário é integrado com um sistema de reciclo celular. Nesta modalidade, a força de direção para o ciclo secundário é derivada de uma bomba de reciclo de célula. Em uma modalidade particular, o caldo de fermentação é retirado do ciclo secundário à jusante do modulo de reciclo celular. Em modalidades particulares, a taxa de fluxo do ciclo secundário e a pressão do sistema de reciclo celular são regulados por pelo menos um controle de válvula à montante do modulo de reciclo celular.

[0018] Em um segundo aspecto da invenção, é fornecido um método para melhorar a transferência de massa de um substrato gasoso para um caldo de fermentação em um recipiente de fermentação compreendendo uma seção de subida em que um caldo de fermentação líquido e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente para cima e uma seção de descida em que o caldo de fermentação líquido e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente na descida, o método compreendendo:(a) fornecer um substrato gasoso para o recipiente de fermentação compreendendo um meio nutriente líquido e um ou mais micro-organismos;(b) fermentar o substrato gasoso para produzir um caldo de fermentação;(c) circular o caldo de fermentação e o substrato gasoso concorrentemente para cima através da seção de subida e concorrentemente para baixa através da seção de descida do recipiente de fermentação; e(d) remover pelo menos uma porção do caldo de fermentação do fundo da seção de descida e circular para o topo da seção de subida através de um ciclo secundário, em que o caldo de fermentação entra no topo da seção de subida através de pelo menos um bocal.

[0019] Em um terceiro aspecto da invenção, é fornecido um método para reduzir a espuma no espaço superior do recipiente de fermentação compreendendo uma seção de subida em que o caldo de fermentação líquido e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente para cima e uma seção de descida em que o caldo de fermentação liquida e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente para baixo, o método compreendendo:(a) fornecer um substrato gasoso para o recipiente de fermentação compreendendo um meio nutriente líquido e um ou mais micro-organismos;(b) fermentar o substrato gasoso para produzir um caldo de fermentação e espuma presente no espaço superior do recipiente de fermentação;(c) remover o caldo de fermentação da seção de descida do recipiente de fermentação; e(d) circular o caldo de fermentação para o topo da seção de subida através de um ciclo secundário, em que o caldo de fermentação entra no espaço superior através de pelo menos um bocal;em que o caldo de fermentação entrando no espaço superior reduz a espuma presente dentro do recipiente de fermentação.

[0020] Em um quarto aspecto, é fornecido um método de produção de produtos por fermentação de um substrato gasoso, o método compreendendo:(a) fornecer o substrato gasoso para um reator compreendendo pelo menos uma seção de subida e uma seção de descida, o reator contendo um meio nutriente líquido e uma cultura de um ou mais micro-organismos, para fornecer um caldo de fermentação;(b) circular o caldo de fermentação e o substrato gasoso concorrentemente para cima através da seção de subida e então para baixo através da seção de descida;(c) remover pelo menos uma porção do caldo de fermentação da seção de descida e passá-lo para o topo da seção de subida; e(d) fermentar anaerobicamente a cultura no reator para produzir um ou mais produtos a partir do referido substrato.

[0021] Em modalidades particulares de segundo, terceiro e quarto aspectos, o reator é configurado como descrito no primeiro aspecto. Em modalidades particulares, o método permite o aumento da transferência de massa do gás para a fase líquida em um processo de fermentação de gás. Em modalidades particulares, a adição de um ciclo secundário a um reator de ciclo circulado substancialmente aumenta da transferência de massa.

[0022] Em modalidades particulares, o caldo de fermentação e o substrato gasoso são ciclados através da seção de subida e uma seção de descida de um reator de ciclo circulado. Em modalidades particulares, a corrente de gás entra no topo da seção de subida do reator. Em modalidades alternativas, o gás entra em múltiplos sítios através da seção de subida do reator. Em modalidades alternativas, o gás entra em múltiplos sítios através da seção de descida do reator.

[0023] Em modalidades particulares, uma porção do caldo de fermentação é retirada próximo do fundo da seção de descida do reator e circulada para o espaço superior da seção de subida do reator. Em modalidades particulares, a porção do caldo de fermentação removida da saída é pulverizada dentro do espaço superior da subida através de uma cabeça de chuveiro ou bocal perfurado. Em certas modalidades, o líquido pulverizado dentro do espaço superior reduz a camada de espuma no topo do líquido contido na subida. Em outras modalidades, o líquido pulverizado dentro do espaço superior quebra bolhas de espuma e arrasta o gás dentro do caldo de fermentação do ciclo primário do reator.

[0024] Em modalidades particulares, um ou mais micro-organismos fermentam o substrato contendo carbono para produzir produtos incluindo ácidos e álcoois. Em modalidades particulares, o um ou mais micro-organismos produzem um ou mais produtos por fermentação de um substrato gasoso compreendendo CO. Em modalidades particulares, a fermentação é fermentação anaeróbica. Em modalidades particulares, a uma ou mais culturas de micro-organismos convertem CO e opcionalmente H2 para produtos incluindo ácidos e/ou álcoois. Em modalidades particulares, os produtos são selecionados do grupo que consiste em etanol, ácido acético, 2,3-butanodiol, butanol, lactato, succinato, metil etil cetona (MEK), propanodiol, 2-propanol, isopropanol, acetoána, iso-butanol, citramalato, butadieno, poli ácido láctico, isobutileno, 3-hidroxi propionato (3HP), acetona, ácidos graxos e misturas dos mesmos.

[0025] Em várias modalidades, a fermentação é conduzida utilizando uma cultura de micro-organismo compreendendo uma ou mais cepas de bactéria carboxidotróficas. Em várias modalidades, a bactéria carboxidotrófica é selecionada de Clostridium, Moorella, Oxobacter, Peptostreptococcus, Acetobacterium, Eubacterium, ou Butryribacterium. Em uma modalidade, a bactéria carboxidotrófica é Clostridium autoethanogenum. Em modalidades particulares, a bactéria tem as características de identificação do número de acessão DSMZ10061 ou DSMZ23693.

[0026] O substrato gasoso pode compreender um gás obtido como um subproduto de um processo industrial. Em certas modalidades, o processo industrial é selecionado do grupo que consiste em produtos de manufatura metal ferroso, produtos de manufatura não ferrosos, processos de refinamento, processos de refinamento de petróleo, gasificação de biomassa, gasificação de carvão, produção de energia elétrica, produção de carvão preto, produção de amônia, produção de metanol e manufatura de coca. Alternativamente, o substrato gases é uma fonte de gás reformada incluindo gás natural, gás de xisto, gás de petróleo associado e biogás. Em modalidades alternativas, o gás é obtido pela gasificação de biomassa ou resíduos sólidos municipais. Em uma modalidade da invenção, o substrato gasoso é singas. Em uma modalidade, o substrato gasoso compreende um gás obtido de um moinho de aço.

[0027] A invenção também inclui as partes, elementos e características referidas para ou indicadas na especificação do pedido, individualmente ou coletivamente, em qualquer ou todas combinações de duas ou mais das referidas partes, elementos ou características, e em que inteiros específicos são mencionados aqui que têm equivalentes conhecidos na técnica à qual a invenção é relacionada, tais equivalentes conhecidos são considerados como sendo incorporados aqui como se estabelecidos individualmente.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0028] A invenção será agora descrita em detalhes com referência às Figuras em anexo em que:

[0029] Figura 1 mostra um diagrama esquemático de uma modalidade de um reator de ciclo circulado compreendendo um ciclo secundário.

[0030] Figura 2 mostra um diagrama esquemático de uma modalidade alternativa do reator de ciclo circulado compreendendo uma válvula de porta, eliminando a necessidade de uma bomba secundária.

[0031] Figura 3 mostra um diagrama esquemático de uma modalidade do reator de ciclo circulado compreendendo um sistema de reciclo celular integrado, eliminando a necessidade de uma bomba secundária.

[0032] Figura 5 é um gráfico mostrando o efeito da taxa de fluxo de bomba secundária na retenção da subida baseado em resultados experimentais de um reator de 6 metros de altura.

[0033] Figura 6 é um gráfico mostrando o efeito do ciclo secundário na conversão de CO baseado em resultados experimentais de um reator de 6 metros de altura.

[0034] Figura 7 é um gráfico mostrando o efeito de um ciclo secundário na retenção da subida baseado em resultados experimentais de um reator de 3 metros de altura.

[0035] Figura 8 é um gráfico mostrando o efeito da velocidade de bomba de ciclo secundário na subida e retenção na descida baseado em resultados experimentais de um reator de 10 metros de altura.

[0036] Figura 9 é um gráfico mostrando o efeito da velocidade de uma bomba de ciclo secundário na conversão de CO, baseado em resultados experimentais de um reator de 10 metros de altura.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃODefinições

[0037] Ao menos que definido de outro modo, os seguintes termos como utilizados através desta especificação são definidos como segue:

[0038] Q Vgtoq “uwduVtcVq icuquq” kpenwk swcnswgt iáu swg eqpVfio wo composto ou elemento utilizado por um micro-organismo como uma fonte de carbono e opcionalmente fonte de energia na fermentação. O substrato gasoso irá tipicamente conter uma proporção significante de CO, de pelo menos cerca de 5% a cerca de 100% de CO por volume.

[0039] Embora não seja necessário para o substrato conter qualquer hidrogênio, a presença de H2 não deve ser prejudicial para a formação do produto de acordo com os métodos da invenção. Em modalidades particulares, a presença de hidrogênio resulta em uma melhora geral na eficiência da produção de álcool. Por exemplo, em modalidades particulares, o substrato pode compreender uma proporção de cerca de 2:1, ou 1:1, ou 1:2 de H2:CO. Em modalidades particulares, o substrato pode compreender uma proporção de entre 2:1 a 1:2 de H2:CO. Em uma modalidade, o substrato compreende cerca de 30% ou menos de H2 por volume, 20% ou menos de H2 por volume, cerca de 15% ou menos de H2 por volume ou cerca de 10% ou menos de H2 por volume. Em outras modalidades, a corrente de substrato compreende baixas concentrações de H2, por exemplo, menos que 5%, ou menos que 4%, ou menos que 3%, ou menos que 2%, ou menos que 1%, ou é substancialmente livre de hidrogênio. O substrato pode também conter algum CO2, por exemplo, tal como cerca de 1% cerca de 80% de CO2 por volume, ou 1% a cerca de 30% de CO2 por volume. Em uma modalidade o substrato compreende menos que ou igual a cerca de 20% de CO2 por volume. Em modalidades particulares, o substrato compreende menos que ou igual a cerca de 15% de CO2 por volume, menos que ou igual a cerca de 10% de CO2 por volume, menos que ou igual a cerca de 5% de CO2 por volume ou substancialmente nenhum CO2.

[0040] Q Vgtoq “oekq PwVtkgpVg niswkfq” kpenwk wo ogkq niswkfq compreendendo nutrientes adequados para fermentação de um ou mais microorganismos. O meio nutriente líquido irá conter vitaminas e/ou minerais suficientes para permitir o crescimento dos micro-organismos utilizados. Meios anaeróbicos adequados para a fermentação utilizando CO são conhecidos na técnica. Por exemplo, meios adequados são descritos em Beibel (Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology (2001) 27, 18-26).

[0041] Q Vgtoq “áekfq” eqoq wVükzcfq cswk kpenwk codqu áekfqu carboxílicos e o ânion carboxilato associado, tal como a mistura de ácido acético livre e acetato presente em um caldo de fermentação como descrito aqui. A proporção do ácido molecular para o carboxilato no caldo de fetogpVc>«q fi fepgpfgpVe fq pH fq ukuVgoCo Go cfk>«q. q Vgtoq “ceeVcVq” inclui ambos o sal acetato sozinho e uma mistura de moléculas de ácido acético livre e o sal acetato, tal como a mistura do sal acetato e ácido acético livre presente no caldo de fermentação como descrito aqui.

[0042] Qu Vgtoqu “teekrkepVe fg fetoepVc>«q”, “tecVqt” glqw “dkqttecVqt” kpenweo fkurqukvkxqu e teekrkepVeu rctc q eqpVcVq iáuiníswkfq, adequado para a condução da fermentação desejada.

[0043] Wo “tecVqt fe ekenq ezVetpq fe ektewnc>«q forçcfc” elqw “tecVqt fe ekenq ektewncfq” eqorteepfe wo teekrkepVe pqtocnoepVe Vepfq fqku cilindros verticais com conexões horizontais entre eles. O conteúdo, que é normalmente um líquido mais um gás substrato, é forçado a circular para cima de um cilindro vertical (subida) através de uma conexão horizontal e então para baixo através de outro cilindro vertical (descida) e então através de uma conexão horizontal mais baixa do reator por um impulsor ou uma bomba de um tipo apropriado para completar o ciclo.

[0044] Q Vetoq “uwdkfc” eqorteepfe woc ue>«q fq tecVqt eo swe q conteúdo líquido/gás percorre concorrentemente para cima.

[0045] Q Vetoq “feuekfc” eqorteepfe woc ue>«q fq tecVqt eo swe q conteúdo líquido/gás percorre concorrentemente para baixo.

[0046] Q Vetoq “uerctcfqt” kpenwk c re>c fq tecVqt eo swe renq menos uma porção do gás se separa da mistura de duas fases líquida-gasosa permitindo que as bolhas subam para a superfície do líquido.

[0047] Q “eurc>q uwretkqt” kpenwk c rctVe fq tecVqt cekoc fq separador definido acima.

[0048] Q Vetoq “dqodc fe ekenq” eqorteepfe woc dqodc swe fi utilizada para dirigir o meio líquido no reator para fluir. O meio líquido pode conter uma porção certa de bolhas de gás ou gás dissolvido. Em uma modalidade particular, este pode incluir uma bomba de fluxo axial instalada no fundo da descida.

[0049] Q Vetoq “dqmfafqt” elqw “fkuVtkdwkfqt fe iáu” eqorteepfe um dispositivo para introduzir gás em um líquido para agitá-lo ou para dissolver o gás no líquido. Em uma modalidade particular, o borrifador pode ser uma placa perfurada, vidro sinterizado, metal sinterizado, tubo de borracha poroso, tubo de metal poroso, cerâmica porosa ou aço inoxidável. O borrifador pode ser vários graus (isto é, porosidades) para fornecer um Vcocpjq gurgeihkeq fg “dqnjc”

[0050] Q Vgtoq “dqecF’ glqw “ecdg>c fg ejwxgitq” eqortggnfg wo dispositivo que divide um fluxo líquido em múltiplos jatos líquidos. Em uma modalidade particular, o bocal é um tubo perfurado com poros para baixo.

[0051] Eqoq tgfgtifq cswi, “gurwoc” fi woc ocuuc fg dqnjcu de gás em uma matriz de filmes líquidos. A fração de gás volumétrica na espuma é preferencialmente maior que 70%.

[0052] C “eqnxgtu«q” fg wo uwduVtcVq fi c rtqrqt>«q fg wo uwduVtcVq reagido durante a reação para a quantidade total de um substrato suprido para o reator.

[0053] Q Vgtoq “tgVgn>«q fg iáu” inenwi c ftc>«q fg iáu xqnwofiVtiec em uma mistura de duas fases líquida-gasosa.

[0054] Q Vgtoq “Vtcnufgtêneic fg ocuuc” wVüizcfq cswi predominantemente significa a transferência de substratos gasosos ao meio líquido em que o micro-organismo reside.

[0055] Qu Vgtoqu “gfieiêneic fg Vtcnufgtêneic fg ocuuc”. “gfieiêneic fg Vtcnufgtêneic fg ocuuc xqnwofiVtiec” g uioinctgu. tgfgtgo-se à taxa de dissolução do substrato gasoso dentro do meio líquido por unidade de tempo por unidade de volume de reator.

[0056] Qu Vgtoqu “cwognVcnfq c gfieiêneic”. “gfieiêneic cwognVcfc” e similares, quando utilizados em relação a um processo de transferência de massa, referem-se à taxa mais alta da dissolução do substrato gasoso no meio líquido.

[0057] Ao menos que o contexto requeira ao contrário, as frases “fgtognVcnfq”, “rtqeguuq fg fgtognVc>«q” qw “tgc>«q fg fgtognVc>«q” g similares, como utilizado aqui, pretendem englobar a fase de crescimento e a fase de biossíntese do produto do processo.

[0058] A fermentação eficiente dos substratos gasosos para produzir os produtos requer controle da quantidade de substrato transferida dentro de um caldo de fermentação para garantir altas taxas de produção de produtos desejados e a prevenção da inibição. Em adição, de modo a maximizar a captura de carbono, a quantidade de um substrato transferido dentro do caldo de fermentação, de modo que pode este ser convertido por um ou mais microorganismos, deve ser mantida em um alto nível. Além disso, de modo a manter a eficiência geral, o substrato deve ser transferido dentro da solução de modo que o poder de entrada através do sistema é minimizado.

[0059] De acordo com a invenção, é fornecido um sistema para uma fermentação melhorada de um substrato gasoso através da introdução de um ciclo secundário para um reator de ciclo externo de circulação forçada. O reator compreende um ciclo primário através do qual o caldo de fermentação compreendendo um substrato gasoso é circulado através de um segmento de subida e uma seção de descida por uma bomba de ciclo. À jusante da bomba de ciclo uma porção do caldo de fermentação é retirada da seção de descida e é direcionada para o topo do reator através de um ciclo secundário. Em modalidades particulares, a porção do caldo de fermentação removida do ciclo primário é pulverizada do ciclo secundário através de um bocal.

[0060] A etapa de limitação de taxa primária na fermentação de gás é a transferência de massa gás para líquido. Meios conhecidos de aumentar a transferência de massa são através da agitação de uma mistura de gás e líquido, como a agitação mecânica do caldo. Entretanto, estes métodos conhecidos para aumentar a transferência de massa requerem uma grande força de entrada, que se torna ineficiente e/ou não econômica conforme a escala aumenta.

[0061] O reator da presente invenção é configurado para melhorar significativamente a transferência de massa de uma fase gasosa para uma fase líquida. Em modalidades particulares, uma porção do fluxo líquido é retirada da descarga da bomba de ciclo na seção de descida e, portanto, a taxa de fluxo de líquido volumétrica na seção de subida é menos que a da seção de descida. Em certas modalidades, a retirada da porção do caldo de fermentação da seção de descida resulta no aumento da retenção do gás e a transferência de massa na seção de subida do reator.

[0062] Em uma modalidade particular de um aparelho da invenção, o reator consiste em uma seção de subida e uma seção de descida. A subida e a descida são conectadas por duas seções horizontais em cada extremidade para formar um ciclo primário, e o fluxo líquido/gás através é dirigido através do ciclo primário pelo menos parcialmente por uma bomba no fundo da descida. Em modalidades particulares, o gás é introduzido no sistema através de um tipo de borrifador apropriado. Em modalidades particulares, uma linha de ciclo secundária se conecta ao fundo da descida e o topo do reator para formar um ciclo secundário. Em modalidades particulares, a linha de ciclo secundário é conectada à jusante da descida da bomba de ciclo primário, mas antes da subida. Em modalidades particulares, a linha de ciclo secundária retira uma corrente de líquido da descarga da bomba de ciclo por uma bomba secundária. Em modalidades particulares, uma corrente líquida é passada para o topo do reator através de uma linha de ciclo secundária, em que o líquido é pulverizado dentro do espaço superior do reator através de pelo menos um bocal. Em certas modalidades, o pelo menos um bocal é uma cabeça de chuveiro.

[0063] Em modalidades da invenção, o sistema tem aplicação na fermentação de substratos gasosos para um ou mais produtos, os referidos produtos incluindo ácidos, álcoois e dióis. Em particular, etanol, ácido acético e 2,3-butanodiol são produzidos por fermentação de um substrato gasoso compreendendo CO. Produtos alternativos incluem butanol, lactato, succinato, metil etil cetona (MEK), propanodiol, 2-propanol, isopropanol, acetoína, iso-butanol, citramalato, butadieno, poli ácido láctico, isobutileno, 3-hidroxi propionato (3HP), acetona, ácidos graxos e misturas dos mesmos.

[0064] Tipicamente, o espaço superior da seção de subida do reator compreende uma camada de espuma resultante do gás que sobe e a agitação do caldo. A presente invenção permite que o caldo de fermentação utilizado no processo de fermentação no reator seja pulverizado na camada de espuma, em que o spray tem o efeito de quebrar as bolhas grandes de gás na espuma. As bolhas grandes de gás sobem com velocidade maior através do líquido e, portanto, têm um tempo de residência mais curto na subida, com menos transferência de massa do gás contido. Através da quebra das bolhas grandes de gás, as bolhas menores são arrastadas de volta dentro da seção de descida do reator, que fornece ainda a oportunidade para transferência de massa. Em uma outra modalidade, o chuveiro é pulverizado na camada de espuma no espaço superior para quebrar eficazmente a espuma, de modo que não acumula e bloqueia os oleodutos à jusante do reator.

[0065] Em outra modalidade, o chuveiro transforma a camada de espuma em uma contracorrente de contato gás-líquido em que o líquido flui para baixo e o gás flui para cima. A eficiência de transferência de massa neste fluxo de contracorrente por si só é alta devido à ação da contracorrente e o alto conteúdo de gás. Apesar da concentração do substrato gasoso na fase gasosa poder ser pobre, esta parte do reator irá contribuir com uma quantidade significativa para a captação do substrato. Quando há flutuações no suprimento de gás, a altura da espuma de gás pode ser ajustada de acordo para manter uma taxa de produção estável.

[0066] A fermentação pode ser conduzida em qualquer biorreator aceitável, tal como um reator de célula imobilizada, um reator de elevação de gás, um reator de coluna de bolha (BCR), um reator de membrana, tal como um Hollow Fibre Membrane Bioreactor (HFM BR) ou um reator de leito de gotejamento (TBR). Também, em algumas modalidades da invenção, o biorreator pode compreender um primeiro reator de crescimento em que os micro-organismos são cultivados, e um ou mais reatores de fermentação de produção configurados em série ou em paralelo, aos quais o caldo de fermentação do reator de crescimento pode ser alimentado e em que a maioria do produto de fermentação (por exemplo, etanol e acetato) pode ser produzida. O biorreator da presente invenção é adaptado para receber substrato contendo CO e/ou H2, ou um CO2 e/ou H2.

[0067] Em modalidades particulares, a entrada de gás é situada no fundo da seção de subida do reator. Os inventores identificaram que um excesso de CO na área próxima à entrada de gás (isto é, o fundo da subida) resulta na inibição do micro-organismo. Entretanto, este problema é surpreendentemente superado pela presente invenção. Em modalidades particulares, a entrada de gás no espaço superior da seção de subida do reator compreende um menor conteúdo de CO que o gás de entrada fresco no fundo da subida. Quando o gás arrastado é eventualmente reciclado através da descida para retornar para o fundo da subida, o gás arrastado se mistura com o gás de entrada fresco e reduz a concentração de CO dissolvida no fundo da subida, eficazmente reduzindo a chance de inibição do substrato e melhorando a conversão de CO geral. O mesmo problema pode também ser resolvido pela divisão do gás alimentado em mais de uma corrente e injetando-os em múltiplos sítios da subida e descida do reator. O último método, entretanto, não melhora significativamente a conversão de CO.

[0068] De acordo com modalidades particulares, a taxa de transferência de massa do substrato gasoso para a cultura microbiana pode ser controlada de modo que a cultura microbiana é suprida com o substrato em ou para uma taxa de suprimento ótima. Em reatores, a taxa de transferência de massa pode ser controlada pelo controle da pressão parcial do substrato gasoso e/ou pelo controle da taxa de fluxo líquido ou retenção de gás. Em modalidades particulares, a transferência de massa é controlada pelo controle da taxa em que o caldo de fermentação é bombeado através de ambos os ciclos primários e secundários do reator.

[0069] Em modalidades particulares, o gás fresco é introduzido no recipiente por uma ou mais entrada de gás. Tipicamente, a alta transferência de massa pode ser alcançada pela introdução do substrato gasoso como bolhas finas. Os especialistas na técnica irão apreciar meios para introdução do substrato gasoso, tais como borrifadores. Em modalidades particulares, o gás é introduzido no recipiente por difusores de bolha fina ou outro tipo de gerador de bolha fina.

[0070] Após a consideração da presente divulgação, os especialistas na técnica irão apreciar o tamanho e tipo de bombas requeridas para circular o caldo de fermentação compreendendo um ou mais micro-organismos em torno dos ciclos primários e secundários. Deve ser notado que quanto maior a retenção do gás no líquido, menor a densidade do líquido, então a bomba necessita ser configurada para circular líquidos de densidades variadas, de acordo com mudança na composição da suspensão de gás/líquido. Por modo de exemplos sem limitação, uma ou mais bombas de múltiplas fases configuradas para bombeamento da suspensão de caldo de fermentação/gás podem ser utilizadas para circular uma única fase líquida e aumentar a pressão de descarte de um fluido. Utilizando um impulsor rotativo, o líquido entra na bomba ao longo de um eixo de rotação do motor e acelera o líquido radialmente para fora através de uma câmara de difusão. Bombas de centrifugação podem também operar com retenção de gás de duas fases menores sem cavitação (uma conhecida vulnerabilidade de bombas de centrifugação), mantendo uma cabeça de sucção positiva líquida adequada. Os especialistas na técnica irão apreciar que há soluções de bombeamento de múltiplas fases para aplicações em larga escala.

[0071] Em modalidades alternativas, a seção de descida do recipiente de fermentação compreende uma válvula de porta localizada à montante da saída do ciclo secundário. Nesta modalidade, o caldo de fermentação pode ser retirado da descida para o ciclo secundário restringindo o fluxo do ciclo primário utilizando a válvula de porta. Ao ajustar a abertura da válvula de porta, a pressão de descida da bomba de ciclo à montante da válvula de porta pode ser regulada para fornecer uma taxa de fluxo de ciclo secundário desejada. Em certas modalidades, a pressão na descida é monitorada por um medidor de pressão. Esta configuração elimina o requisito de uma bomba de ciclo secundário.

[0072] Em modalidades particulares, o ciclo secundário é integrado com um sistema de reciclo celular. O sistema de reciclo celular fornece um meio para separar micro-organismos que são retornados para o reator para outra fermentação. Um módulo de reciclo celular continuamente atrai o caldo permeado, enquanto retendo as células. Os especialistas na técnica iriam entender que os membros de reciclo celular podem incluir, entre outros, membranas de reciclo celular ou separadores de centrifugação em pilha de disco. Em modalidades preferenciais, as células são retidas no caldo de fermentação utilizando ultrafiltração. Em certas modalidades, a força de direção para o ciclo secundário é derivada da bomba de reciclo celular. Em modalidades preferenciais, a bomba de reciclo celular é muito maior que as bombas de ciclo secundário descritas acima. Em uma modalidade particular, o caldo de fermentação é retirado à jusante do ciclo secundário do módulo de reciclo celular. Em modalidades particulares, a taxa de fluxo do ciclo secundário e a pressão do sistema de reciclo celular são regulados por pelo menos uma válvula de controle à montante do módulo de reciclo celular. Em modalidades particulares, a taxa de fluxo do ciclo secundário é regulada por duas válvulas de controle à montante do módulo de reciclo celular. A primeira válvula de controle regula o fluxo para o topo do reator através da linha de ciclo secundário. A segunda válvula de controle regula o fluxo para uma linha separada que retorna o caldo de fermentação para a descida. Em certas modalidades, de modo a aumentar a taxa de fluxo do ciclo secundário, o fluxo através da primeira válvula de controle é aumentado e o fluxo através da segunda válvula de controle é restrito. De modo a diminuir a taxa de fluxo do ciclo secundário, o fluxo através da primeira válvula de controle é restrito e o fluxo através da segunda válvula de controle é aumentado. De modo que os requisitos de fluxo de reciclo celular são atendidos, as duas válvulas de controle são configuradas para manter uma taxa de fluxo constante através do módulo de reciclo celular.

[0073] O reator da presente invenção pode adicionalmente incluir uma ampla faixa de módulos de contato gás/líquido adequados que pode fornecer transferência de massa eficaz de um substrato gasoso necessário para melhorar a eficiência de fermentações microbianas. Um módulo de contato fornece um ambiente geométrico único permitindo ao gás e ao líquido se misturarem completamente ao longo de um caminho de fluxo estabelecido, fazendo com que o gás arrastado se dissolva no líquido uniformemente. Por modo de exemplo, estes módulos de contato incluem, entre outros, uma matriz de embalagem de metal corrugada estruturada, embalagem aleatória, placas de peneira e misturadores estáticos, todos dos quais tem uma faixa de tipos bem conhecidos e densidade e são amplamente disponíveis comercialmente.

[0074] Várias modalidades dos sistemas da invenção são descritas nas Figuras em anexo.

[0075] Figura 1 é um diagrama esquemático de uma modalidade de um reator de ciclo circulado compreendendo um ciclo secundário. O reator consiste em uma subida (2), em que a mistura do líquido e gás (3) flui concorrentemente para cima, e uma descida (8), em que o líquido e gás fluem concorrentemente para baixo. A subida (2) e descida (8) são conectadas por duas seções horizontais em cada extremidade e o fluxo de duas fases é conduzido pelo menos parcialmente por uma bomba (9) no fundo da descida (8). O gás é introduzido no sistema através de um ou mais tipos apropriados de borrifadores (1). Uma porção do gás é carreada dentro da descida (8) pelo fluxo do líquido na separador gás-líquido (4), e esta porção do gás é referida eqoq q “iáu circuVcfq” qw q “iáu tgekelcfq” cswko Q iáu p«q cttcuVcfq fgkzc q sistema através de uma válvula de controle (7), após passar o espaço superior (6). Tipicamente, há uma camada de espuma (5) de alguma altura sobre o nível de líquido no espaço superior (6). Pode ser visto a partir deste diagrama que a mistura do líquido e gás flui da subida (2) para a descida (8) e volta formando um ciclo (isto é, o ciclo primário).

[0076] O ciclo secundário circula o caldo de fermentação (3) a partir do fundo da descida (8) para o topo do reator. À jusante da bomba de ciclo primário (9), mas antes da subida (2), uma corrente do líquido é retirada da descarga da bomba de ciclo (9) por uma bomba secundária (11). A corrente é passada para o topo do reator através de uma linha de ciclo secundária (12), em que o líquido é pulverizado no espaço superior (6) através de um bocal de spray ou cabeça de chuveiro (10) apropriado. O líquido é pulverizado na superfície da camada de espuma (5) em uma velocidade de cerca de 0,5 m/s a cerca de 5 m/s de modo a quebrar a espuma. A taxa de fluxo de líquido do ciclo secundário é medida e monitorada por um medidor de fluxo (13).

[0077] Figura 2 mostra um diagrama esquemático de uma modalidade alternativa do reator de ciclo circulado compreendendo uma válvula de porta (14). Outros componentes do reator são removidos da figura por uma questão de clareza. Ao ajustar a abertura da válvula de porta, a pressão de descida da bomba de ciclo, mas à montante da válvula de porta, pode ser regulada para gerar uma taxa de fluxo de ciclo secundário. A pressão é monitorada por um medidor de pressão (15). Esta configuração elimina o requisito para uma bomba de ciclo secundária.

[0078] Figura 3 mostra um diagrama esquemático de uma modalidade alternativa do reator de ciclo circulado compreendendo um sistema de reciclo celular integrado. Outros componentes do reator são removidos da figura por questões de clareza. Nesta modalidade, o ciclo secundário é retirado à jusante do módulo de reciclo celular (19), em que a força de direção para o ciclo secundário vem de uma bomba de reciclo celular (16). Em modalidades preferenciais, a bomba de reciclo celular é muito maior que a bomba de ciclo secundário descrita acima. Em modalidades particulares, o módulo de reciclo celular separa as células do permeado utilizando ultrafiltração ou outro meio de separação tais como membrana. Apenas uma porção do caldo de fermentação fornecido para o modulo de reciclo celular é passado no topo do reator e, portanto, a taxa de fluxo do ciclo secundário e a pressão do sistema de reciclo celular são regulados por duas válvulas de controle (17, 18) à jusante do módulo de reciclo celular (19). A primeira válvula de controle (17) regula o fluxo para o topo do reator através da linha de ciclo secundário. A segunda válvula de controle (18) regula o fluxo para uma linha separada que retorna o caldo de fermentação para a descida. Em certas modalidades, de modo a aumentar a taxa de fluxo do ciclo secundário, o fluxo através da primeira válvula de controle (17) é aumentado e o fluxo através da segunda válvula de controle (18) é restrito. De modo a diminuir a taxa de fluxo do ciclo secundário, o fluxo através da primeira válvula de controle (17) é restrito e o fluxo através da segunda válvula de controle (18) é aumentado. De modo que os requisitos para o fluxo de reciclo celular sejam atendidos, as duas válvulas de controle (17, 18) são configuradas para manter uma taxa de fluxo constante através do módulo de reciclo celular (19).

[0079] Deve ser notado que várias mudanças e modificações para as presentes modalidades preferenciais descritas aqui serão aparentes para os especialistas na técnica. Tais mudanças e modificações podem ser feitas sem sair do espírito e escopo da invenção e sem diminuir suas vantagens concomitantes. É, portanto, entendido que tais mudanças e modificações podem ser incluídas dentro do escopo da invenção.

Fermentação

[0080] Processos para a produção de etanol e outros álcoois a partir de substratos gasosos (tais como os descritos na seção de fundamentos acima) são conhecidos. Processos exemplares incluem aqueles descritos, por exemplo, em WO 2007/117157 e WO 2008/115080, assim como as Patentes US 6.340.581, 6.136.577, 5.593.886, 5.807.722 e 5.821.111, cada um dos quais é incorporado aqui por referência.

[0081] Um número de bactérias anaeróbicas é conhecido por serem capazes de conduzir a fermentação de CO para álcoois, incluindo n-butanol e etanol, ácido acético e são adequado para uso nos processos da presente invenção. Exemplos de tais bactérias que são adequadas para o uso na invenção incluem aquelas do gênero Clostridium, tais como cepas de Clostridium ljungdahlii, incluindo aquelas descritas em WO 00/68407, EP 117309, Patentes US 5.173.429, 5.593.886 e 6.368.819, WO 98/00558 e WO 02/08438, Clostridium carboxydivorans (Liou et al., International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 33: pp 2085-2091) e Clostridium autoethanogenum (Abrini et al., Archives of Microbiology 161: pp 345-351). Outras bactérias adequadas incluem aquelas do gênero Moorella, incluindo Moorella sp HUC22-1 (Sakai et al., Biotechnology Letters 29: pp 16071612), e aquelas do gênero Carboxydothermus (Svetlichny, V.A., et al. (1991), Systematic and Applied Microbiology 14: 254-260). As divulgações de cada uma destas publicações são incorporadas aqui por referência. Em adição, outras bactérias anaeróbicas carboxidotróficas podem ser utilizadas nos processos da invenção por uma pessoa com conhecimento na técnica. Também será apreciado na consideração da presente divulgação que uma cultura misturada de duas ou mais bactérias pode ser utilizada nos processos da presente invenção.

[0082] O cultivo da bactéria utilizada em um método da invenção pode ser conduzido utilizando qualquer número de processos conhecidos na técnica para o cultivo e fermentação de substratos utilizando bactérias cpcgt„dkecUo Vfiepkecu gzgornctgu u«q fomgekfcu pc ug>«q “Gzgornou” abaixo. A título de outro exemplo, estes processos geralmente descritos nos artigos a seguir utilizando substratos gasosos para fermentação podem ser utilizados: (i) K. T. Klasson, et al. (1991). Bioreactors for synthesis gas fermentations resources. Conservation and Recycling, 5; 145-165; (ii) K. T. Klasson, et al. (1991). Bioreactor design for synthesis gas fermentations. Fuel. 70. 605-614; (iii) K. T. Klasson, et al. (1992). Bioconversion of synthesis gas into liquid or gaseous fuels. Enzyme and Microbial Technology. 14; 602-608; (iv) J. L. Vega, et al. (1989). Study of Gaseous Substrate Fermentation: Carbon Monoxide Conversion to Acetate. 2. Continuous Culture. Biotech. Bioeng. 34. 6. 785-793; (vi) J. L. Vega, et al. (1989). Study of gaseous substrate fermentations: Carbon monoxide conversion to acetate. 1. Batch culture. Biotechnology and Bioengineering. 34. 6. 774-784; (vii) J. L. Vega, et al. (1990). Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations. Resources, Conservation and Recycling. 3. 149-160; todos os quais são incorporados aqui por referência.

[0083] Em uma modalidade, o micro-organismo é selecionado do grupo que consiste em Clostridia carboxidotrófica compreendendo Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxidivorans, Clostridium drakei, Clostridium scatologenes, Clostridium aceticum, Clostridium formicoaceticum, Clostridium magnum. Em outra modalidade, o micro-organismo é de um grupo de Clostridia carboxidotrófica compreendendo as espécies C. autoethanogenum, C. ljungdahlii e C. ragsdalei e isolados relacionados. Estes incluem, entre outros, cepas C. autoethanogenum JAI-1T (DSM10061) (Abrini, Naveau, & Nyns, 1994), C. autoethanogenum LBS1560 (DSM19630) (WO/2009/064200), C. autoethanogenum LBS1561(DSM23693), C. ljungdahlii PETCT (DSM13528 = ATCC 55383) (Tanner, Miller, & Yang, 1993), C. Ijungdahlii ERI-2 (ATCC 55380) (Patente US 5.593.886), C. Ijungdahlii C-01 (ATCC 55988) (Patente US 6.368.819), C. Ijungdahlii O-52 (ATCC 55989) (Patente US 6.368.819), C. ragsdalei P11T (ATCC BAA-844+ *YQ 422:124:277+. kuqncfqu tgncekqpcfqu Vcku eqoq “ C. coskatii” *WU4233244;;69+ g “Enqsttkfkwo up.” (Tyurin & Kiriukhin, 2012), ou cepas mutadas tais como C. ljungdahlii OTA-1 (Tirado-Acevedo O. Production of Bioethanol from Synthesis Gas Using Clostridium ljungdahlii. PhD thesis, North Carolina State University, 2010). Estas cepas formam um subcluster dentro do cluster I de rRNA Clostridial, e seus genes 16S rRNA são mais que 99% idênticos com um conteúdo GC baixo similar de cerca de 30%. Entretanto, os experimentos de reassociação DNA-DNA e impressão de DNA mostraram que estas cepas pertencem a espécies distintas (WO 2008/028055).

[0084] Todas as espécies dos grupos referenciados acima têm uma morfologia similar e tamanho (o crescimento logarítmico das células é entre 0,5-0,7 x 3-7 μo+. u«q oesofílicas (temperatura ótima de crescimento entre 30-37°C) e estritamente anaeróbicas (Abrini et al., 1994; Tanner et al., 1993) (WO 2008/028055). Além disso, todas elas compartilham os mesmos traços filogenéticos principais, tais como a mesma faixa de pH (pH 4-7,5, com um pH inicial ótimo de 5,5-6), forte crescimento autotrófico em gases contendo CO com taxas de crescimento similares e um perfil metabólico similar com etanol e ácido acético como o principal produto final da fermentação, e pequenas quantidades de 2,3- butanodiol e ácido lático formadas sob certas condições (Abrini et al., 1994; Kopke et al., 2011; Tanner et al., 1993) (WO 2008/028055). A produção de indol foi observada com todas as três espécies também. Entretanto as espécies diferenciam na utilização do substrato de vários açúcares (por exemplo, ramnose, arabinose), ácidos (por exemplo, gluconato, citrato), aminoácidos (por exemplo, arginina, histidina), ou outros substratos (por exemplo, betaína, butanol). Além disso, algumas das espécies foram descobertas por serem autotróficas para certas vitaminas (por exemplo, tiamina, biotina) enquanto outras não foram. A organização e número de genes de via Wood-Ljungdahl, responsáveis pelo consumo de gás, foi descoberta por serem os mesmos em todas as espécies, apesar das diferenças sequências nucleicas e de aminoácidos (Kopke et al., 2011). Também a redução de ácidos carboxílicos em seus álcoois correspondentes foi mostrada em uma faixa destes organismos (Perez, Richter, Loftus, & Angenent, 2012). Estes traços são, portanto, não são específicos de um organismo como C. autoethanogenum ou C. ljungdahlii, mas sim traços gerais para Clostridia carboxidotrófica, sintetizadora de etanol e pode ser antecipado que o mecanismo de trabalho é similar nestas cepas, apesar de que podem haver diferenças no desempenho (Perez et al., 2012).

[0085] Um micro-organismo exemplar adequado para uso na presente invenção é Clostridium autoethanogenum. Em uma modalidade, o Clostridium autoethanogenum é um Clostridium autoethanogenum tendo as características de identificação da cepa depositadas no German Resource Centre for Biological Material (DSMZ) sob o número de depósito de identificação 19630. Em outra modalidade, o Clostridium autoethanogenum é um Clostridium autoethanogenum tendo as características de identificação do DSMZ de número de depósito DSM 10061.

[0086] A fermentação pode ser conduzida em qualquer biorreator adequado. Em algumas modalidades da invenção, o biorreator pode compreender um primeiro reator de crescimento em que os micro-organismos são cultivados, e um ou mais reatores de fermentação subsequentes configurados em paralelo ou em série, ao qual o caldo de fermentação do reator de crescimento é alimentado e em que a maioria do produto de fermentação (por exemplo, etanol e acetato) é produzida.

[0087] De acordo com várias modalidades da invenção, a fonte de carbono para a reação de fermentação é um substrato gasoso contendo CO. O substrato gasoso pode ser um gás residual contendo CO obtido como um subproduto de um processo industrial, ou de alguma outra fonte como de gases de escapamento de automóveis. Em certas modalidades, o processo industrial é selecionado do grupo que consiste em manufatura de produtos de metal ferroso, tal como é conduzido em um moinho de aço, manufatura de produtos não ferrosos, processos de refinamento de petróleo, gasificação de carvão, produção de energia elétrica, produção de carbono preto, produção de amônia, produção de metanol e manufatura de coca. Nestas modalidades, o gás contendo CO pode ser capturado de um processo industrial antes que seja emitido na atmosfera, utilizando qualquer método conveniente. Alternativamente, o substrato gasoso é uma fonte de gás reformado, incluindo gás natural, gás de xisto, gás de petróleo associado e biogás. Dependendo da composição gasosa do substrato contendo CO, pode ser também desejável tratá-lo para remover qualquer impureza indesejada, tais como partículas de pó, antes de introduzi-lo na fermentação. Por exemplo, o substrato gasoso pode ser filtrado ou friccionado utilizando métodos conhecidos.

[0088] O substrato contendo CO irá idealmente conter uma proporção significativa de CO, tal como pelo menos 5% a cerca de 100% de CO por volume, ou de 20% a 95% de CO por volume, ou de 40% a 95% de CO por volume, ou de 60% a 90% de CO por volume ou de 70% a 90% de CO por volume. Substratos gasosos tendo concentrações mais baixas de CO, tal como 6%, podem também ser apropriados, particularmente quando H2 e CO2 também estão presentes.

[0089] Embora não seja necessário para o substrato gasoso conter qualquer hidrogênio, a presença de hidrogênio não será geralmente prejudicial para a formação do produto de acordo com os métodos da invenção. Entretanto, em certas modalidades da invenção, o substrato gasoso é substancialmente livre de hidrogênio (menos que 1%). O substrato gasoso pode também conter algum CO2, tal como cerca de 1% a cerca de 30% por volume, ou tal como cerca de 5% a cerca de 10% CO2.

[0090] Como observado anteriormente, a presença de hidrogênio na corrente de substrato pode levar a uma melhora na eficiência geral da captura de carbono e/ou produtividade de etanol. Por exemplo, WO0208438 descreve a produção de etanol utilizando correntes de gás de várias composições.

[0091] Assim, pode ser necessário alterar a composição da corrente de substrato de modo a melhorar a produção de álcool e/ou captura de carbono geral. Adicionalmente ou alternativamente, a composição pode ser alterada (isto é, níveis ajustados de CO, CO2 e/ou H2) para otimizar a eficiência da reação de fermentação e por fim melhorar a produção de álcool e/ou captura de carbono geral.

[0092] Em algumas modalidades, o substrato gasoso contendo CO pode ser de fonte de gasificação de matéria orgânica tais como metano, etano, propano, carvão, gás natural, óleo bruto, valores residuais baixos de óleo de refinaria (incluindo coca de petróleo ou petcoca), resíduo sólido municipal ou biomassa. Biomassa inclui subprodutos obtidos durante a extração de processamento de gêneros alimentícios, tais como açúcar de cana de açúcar, ou amido de milho ou grãos, ou resíduo de biomassa não alimentícia gerada pela indústria florestal. Qualquer um destes materiais carbonáceos pode ser gaseificado, isto é, parcialmente queimado com oxigênio, para produzir gás sintético (singas compreendendo quantidades significativas de H2 e CO). Processos de gaseificação tipicamente produzem um gás sintético com uma proporção molar de H2 para CO de cerca de 0,4:1 a 1,2:1, junto com quantidades menores de CO2, H2S, metano e outras substâncias inertes. A proporção do gás produzido pode ser variada por meios conhecidos na técnica e são descritos em detalhes em WO200701616. Entretanto, a título de exemplo, as seguintes condições gasosas podem ser alteradas para ajustar a proporção do produto CO:H2: composição de matéria prima (particularmente proporção de C:H), pressão de operação, perfil de temperatura (influenciando a extinção da mistura de produtos) e oxidante empregado (ar, ar enriquecido com oxigênio, O2 puro ou vapor; em que o vapor tende a resultar em maiores proporções de CO:H2). Assim, as condições de operação do gaseificador podem ser ajustadas para fornecer uma corrente de substrato com uma composição desejada para a fermentação ou misturando com uma ou mais outras correntes para fornecer uma composição otimizada ou desejada para aumento de produtividade de álcool e/ou captura de carbono geral em um processo de fermentação.

[0093] Em outras modalidades, o substrato compreendendo CO pode ser derivado de reforma de vapor de hidrocarbonetos. Os hidrocarbonetos, tais como hidrocarbonetos de gás natural podem ser reformados em alta temperatura para gerar CO e H2 de acordo com o seguinte:

[0094] A título de exemplo, a reforma de vapor de metano envolve reagir o vapor com metano para produzir CO e H2 em temperatura elevada (700-1100°C) na presença de um catalisador de níquel. A corrente resultante (compreendendo 1 mol de CO e 3 mols de H2 para cada mol de CH4 convertido) pode ser passada diretamente para o fermentador ou misturada com uma corrente de substrato de outra fonte para aumentar a produtividade de etanol e/ou captura de carbono geral em um processo de fermentação. Álcoois tais como metano podem também ser reformados para produzir CO2 e H2 que podem ser utilizados de modo similar.

[0095] Em outra modalidade, o substrato compreendendo CO é derivado de processo de manufatura de aço. Em um processo de produção de aço, o minério de ferro é triturado e pulverizado, submetido a pré-tratamentos tais como sinterização ou peletização, e então passado para um forno (BF), em que é fundido. Em um processo de fundição, a coca serve como a fonte de carbono, que trabalha como um agente de redução para reduzir o minério de ferro. A coca age como a fonte de aquecimento para aquecer e fundir os materiais. O metal quente é descarburizado em um forno de oxigênio básico (BOF) pela injeção de um jato a alta velocidade de oxigênio puro contra a superfície do metal quente. O oxigênio reage diretamente com o carbono no metal quente para produzir monóxido de carbono (CO). Portanto, uma corrente de gás com um alto conteúdo de CO é liberada do BOF. De acordo com certas modalidades da invenção, esta corrente é utilizada para alimentar uma ou mais reações de fermentação. Entretanto, como seria aparente para um especialista na técnica, o CO pode ser produzido em outro lugar dentro do processo de produção de aço, e de acordo com várias modalidades da invenção, tais fontes alternativas podem ser utilizadas ao invés de ou em combinação com gases de exaustão pelo BOF. Dependendo da fonte (isto é, o estágio particular dentro do processo de produção de aço), o conteúdo de CO dos gases de exaustão deste modo pode variar. Também, pode haver períodos quando há quebra em uma ou mais de tais correntes, particularmente em plantas de processamento em lote.

[0096] Tipicamente, correntes liberadas por processo de descarburização de moinho de aço compreendem alta concentração de CO e baixas concentrações de H2. Enquanto tais correntes podem ser diretamente passadas para o biorreator com pouco ou nenhum outro tratamento, pode ser desejável otimizar a composição da corrente do substrato de modo a alcançar maior eficiência de produção de álcool e/ou captura de carbono geral. Por exemplo, a concentração de H2 na corrente do substrato pode ser aumentada antes de a corrente ser passada pelo biorreator.

[0097] De acordo com modalidades particulares da invenção, as correntes de duas ou mais fonte podem ser combinadas e/ou misturadas para produzir uma corrente de substrato desejada e/ou otimizada. Por exemplo, uma corrente compreendendo uma alta concentração de CO, tal como a liberada por um conversor de moinho de aço, pode ser combinada com uma corrente compreendendo altas concentrações de H2, tal como o off-gás de um forno de coca de moinho de aço.

[0098] Alternativamente ou adicionalmente, uma corrente intermitente compreendendo CO, tal como uma corrente liberada de um conversor, pode ser combinada com e/ou misturada com uma corrente contínua substancialmente compreendendo CO e opcionalmente H2, tal como o singas produzido em um processo de gaseificação como descrito anteriormente. Em certas modalidades, isto iria manter a provisão de uma corrente de substrato contínua substancialmente para o biorreator. Em uma modalidade particular, a corrente produzida por um gaseificador pode ser aumentada e/ou diminuída de acordo com a produção intermitente de CO de uma fonte industrial de modo a manter uma corrente de substrato contínua substancialmente com uma composição desejável ou otimizada. Em outra modalidade, as condições de gaseificação podem ser alteradas como descrito anteriormente de modo a aumentar ou diminuir a proporção de CO:H2, de acordo com a produção intermitente de CO de uma fonte industrial, de modo a manter uma corrente de substrato substancialmente contínua com uma composição desejável ou otimizada de CO e H2.

[0099] Tipicamente, a corrente de substrato utilizada na invenção será gasosa; entretanto, a invenção não é limitada a isso. Por exemplo, o monóxido de carbono pode ser fornecido para um biorreator em um líquido. Por exemplo, o líquido pode ser saturado com um gás contendo monóxido de carbono e então o líquido adicionado ao biorreator. Isto pode ser alcançado utilizando uma metodologia padrão. A título de exemplo, um gerador de dispersão de microbolha (Hensirisak et al., Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation; Applied Biochemistry and Biotechnology Volume 101, Number 3, October, 2002) poderia ser utilizado para este propósito.

[00100] Será apreciado que para o crescimento das bactérias e a fermentação de CO para etanol ocorrer, em adição ao substrato gasoso contendo CO, um meio nutriente líquido adequado necessário será alimentado ao biorreator. Um meio nutriente irá conter vitaminas e minerais suficientes para permitir o crescimento do micro-organismo utilizado. Meios anaeróbicos adequados para a fermentação de etanol utilizando CO como a única fonte de carbono são conhecidos na técnica. Por exemplo, meios adequados são descritos nas Patentes US 5.173.429 e 5.593.886 e WO 02/08438, YQ42291337379 e YQ422:13372:2. reherifos cekoCo Qu “Gzeornos” cswk fornecem outros meios exemplares.

[00101] A fermentação deve desejavelmente ser conduzida sob condições apropriadas para a fermentação desejada ocorrer (por exemplo, CO para álcool). As condições de reação que devem ser consideradas incluem pressão, temperaturas taxa de fluxo de gás, taxa de fluxo de líquido, pH do meio, potencial redox do meio, taxa de agitação (se utilizando um reator de tanque de agitação contínua), nível de inóculo, concentrações de substrato gasoso máximas para garantir que o CO na fase líquida não se torne limitante, e concentrações de produto máximas para evitar a inibição do produto.

[00102] As condições de reação ótimas irão depender parcialmente do micro-organismo particular utilizado. Entretanto, em geral, pode ser preferencial que a fermentação seja realizada em uma pressão maior que a pressão ambiente. A operação em pressões aumentadas permite um aumento significativo na taxa de transferência de CO da fase gasosa para a fase líquida em que pode ser utilizado pelo micro-organismo como uma fonte de carbono para a produção de etanol. Isto por sua vez significa que o tempo de retenção (definido como o volume líquido no biorreator dividido pela taxa de fluxo de entrada de gás) pode ser reduzido quando biorreatores são mantidos em pressão elevada maior que a pressão atmosférica.

[00103] Ainda, devido a uma dada taxa de conversão de CO para etanol ser em parte uma função do tempo de retenção do substrato, e alcançando um tempo de retenção desejado por sua vez dita o volume requerido de um biorreator, o uso de sistemas pressurizados pode reduzir muito o volume requerido de um biorreator, e consequentemente o custo capital do equipamento de fermentação. De acordo com os exemplos dados na Patente US no. 5.593.886, o volume do reator pode ser reduzido em uma proporção linear para aumentar a pressão de operação no reator, isto é, os biorreatores operados em 10 atmosferas de pressão necessitam apenas ser um décimo do volume daqueles operados em 1 atmosfera de pressão.

[00104] Os benefícios de conduzir uma fermentação de gás para etanol em pressões elevadas foram também descritos em outros locais. Por exemplo, WO 02/08438 descreve fermentações de gás para etanol realizadas sub pressões de 30 psig e 75 psig, gerando produtividades de etanol de 150 g/l/dia e 369 g/l/dia respectivamente. Entretanto, exemplos de fermentações utilizando meio similar e composições de gás de entrada em pressão atmosférica foram descobertas por produzirem entre 10 e 20 vezes menos etanol por litro por dia.

[00105] É também desejável que a taxa de introdução do substrato gasoso contendo CO é de modo para garantir que a concentração de CO na fase líquida não se torne limitante. Isto é porque uma consequência de condições limitadas de CO pode ser que o produto etanol seja consumido pela cultura.Recuperação do Produto

[00106] Os produtos da reação de fermentação podem ser recuperados utilizando métodos conhecidos. Métodos exemplares incluem os descritos em WO2007/117157, WO2008/115080 e Patentes US 6.340.581, 6.136.577, 5.593.886, 5.807.722 e 5.821.111. Entretanto, brevemente e a título de exemplo apenas, o etanol pode ser recuperado do caldo de fermentação por métodos como destilação fracionada ou evaporação, e fermentação extrativa.

[00107] Destilação do etanol a partir do caldo de fermentação rende uma mistura azeotrópica de etanol e água (isto é, 95% de etanol e 5% de água). Etanol anidro pode ser subsequentemente obtido através do uso de tecnologia de desidratação de etanol por peneira molecular, que é também conhecida na técnica.

[00108] Procedimentos de fermentação extrativa envolvem o uso de um solvente miscível em água que apresenta baixo risco de toxicidade para o organismo de fermentação, para recuperar o etanol do caldo de fermentação diluído. Por exemplo, álcool oleílico é um solvente que pode ser utilizado neste tipo de processo de extração. Neste processo, o álcool oleílico é continuamente introduzido em um fermentador, sobre o qual este solvente sobe formando uma camada no topo do fermentador que é continuamente extraído e alimentado através de uma centrífuga. Água e células são então rapidamente separadas do álcool oleílico e retornadas ao fermentador enquanto o solvente carregado de etanol é alimentado em uma unidade de vaporização rápida. A maioria do etanol é vaporizado e condensado enquanto óleo não volátil é recuperado para o reuso na fermentação.

[00109] Acetato pode também ser recuperado do caldo de fermentação utilizando métodos conhecidos na técnica. Por exemplo, um sistema de absorção envolvendo um filtro de carvão ativado pode ser utilizado. Neste caso, as células microbianas são tipicamente primeiro removidas do caldo de fermentação utilizando um método de separação adequado. Numerosos métodos baseados em filtração de geração de caldo de fermentação livre de célula para recuperação de produto são conhecidos na técnica. O etanol livre de célula - e acetato - contendo o permeado é então passado através de uma coluna contendo carvão ativado para absorver o acetato. O acetato na forma ácida (ácido acético) ao invés da forma salina (acetato) é mais rapidamente absorvido pelo carvão ativado. É, portanto, preferencial que o pH do caldo de fermentação seja reduzido para menos que cerca de 3 antes que seja passado pela coluna de carvão ativado, para converter a maioria do acetato para a forma de ácido acético.

[00110] Os produtos da reação de fermentação (por exemplo etanol e acetato) podem ser recuperados do caldo de fermentação por remover continuamente uma porção do caldo do biorreator de fermentação, separando células microbianas do caldo (convenientemente por filtração), e recuperando um ou mais produtos do caldo simultaneamente ou sequencialmente. O etanol pode convenientemente ser recuperado por destilação, e acetato pode ser recuperado por absorção em carvão ativado, utilizando os métodos descritos acima. O permeado livre de célula restante após o etanol e o acetato terem sido removidos pode também ser retornado para o biorreator de fermentação. Nutrientes adicionais (tais como vitaminas B) podem ser adicionados ao permeado livre de células para o reabastecimento do meio nutriente antes de serem retornados para o biorreator. Também, se o pH do caldo foi ajustado como descrito acima para melhorar a absorção de ácido acético pelo carvão ativado, o pH deve ser reajustado para um pH similar ao do caldo no biorreator de fermentação, antes de ser retornado para o biorreator.Off-Gás Industrial como uma Fonte para Fermentação

[00111] De acordo com outros aspectos da invenção, gases de resíduo industrial são utilizados em uma reação de fermentação com nenhuma ou apenas mínima fricção ou etapas de pré-tratamento adicionais sendo utilizados para preparar os gases adequados do mesmo.

[00112] Os gases residuais podem resultar de qualquer número de processos industriais. A invenção tem uma aplicabilidade particular para suportar a produção de etanol a partir de substrato gasoso tal como alto volume de gases de combustão industrial contendo CO. Exemplos de gases produzidos durante a manufatura de produtos de metal ferroso, manufatura de produtos não ferrosos, processos de refinaria, processos de refinamento de petróleo, gaseificação de carvão, gaseificação de biomassa, produção de energia elétrica, produção de carbono preto, produção de amônia, produção de metanol e manufatura de coca. Em certas modalidades, o substrato contendo CO é derivado da gaseificação da biomassa ou resíduo sólido municipal. Em uma modalidade particular da invenção, os gases residuais são gerados durante um processo para produção de aço. Por exemplo, os especialistas na técnica irão apreciar que gases residuais produzidos durante vários estágios do processo de produção do aço têm altas concentrações de CO e/ou CO2. Em particular, o gás residual produzido durante a descarburização do aço em vários métodos de manufatura de aço, tal como em um conversor de oxigênio (por exemplo, BOF ou KOBM), tem um alto conteúdo de CO e um baixo conteúdo de O2 tornando-o um substrato adequado para fermentação carboxidotrófica anaeróbica.

[00113] Os gases residuais produzidos durante a carburização do aço são opcionalmente passados através de água para remover o material particulado antes de passar para uma pilha de resíduos ou combustão para direcionar o gás residual na atmosfera. Tipicamente, os gases são dirigidos em uma pilha de resíduo com um ou mais ventiladores.

[00114] Em modalidades particulares da invenção, pelo menos uma porção do gás residual durante a descarburização do aço é desviado para um sistema de fermentação por qualquer meio de condução adequado. A título de exemplo, tubulação ou outros meios de transferência podem ser conectados para a pilha de gás residual de um moinho de aço para desviar pelo menos uma porção do gás residual para um sistema de fermentação. Novamente, um ou mais ventiladores podem ser utilizados para desviar pelo menos uma porção do gás residual em um sistema de fermentação. Em modalidades particulares da invenção, os meios de condução são adaptados para fornecer pelo menos uma porção do gás residual produzido durante a descarburização do aço para um sistema de fermentação. O controle e meios para alimentar gases para um biorreator serão rapidamente aparentes aos especialistas na técnica à qual a invenção é relacionada.

[00115] Enquanto moinhos de aço podem ser adaptados para substancialmente produzir continuamente aço e subsequentemente gás residual, aspectos particulares do processo podem ser intermitentes. Tipicamente, a descarburização do aço é um processo de banho durando longos minutos a longas horas. Deste modo, os meios de condução podem ser adaptados para desviar pelo menos uma porção do gás residual, tal como o gás produzido durante a descarburização do aço, para o sistema de determinação se é determinado que o gás residual tem uma composição desejável.

[00116] O conteúdo de pH do biorreator utilizado no processo de fermentação pode ser ajustado como requerido. O pH apropriado será dependente das condições requeridas para uma reação de fermentação particular tendo em consideração o meio nutriente e micro-organismos utilizados, como será apreciado por especialistas na técnica à qual a invenção refere-se. Em uma modalidade preferencial, na fermentação de um substrato gasoso contendo CO utilizando Clostridium autoethanogenum, o pH pode ser ajustado para aproximadamente 5,5 a 6,5, mais preferencialmente a aproximadamente 5,5. Outros exemplos incluem pH 5,5 a 6,5 utilizando Moorella thermoacetica para a produção de ácido acético, pH 4,5 a 6,5 utilizando Clostridium acetobutylicum para a produção de butanol, e pH 7 utilizando Carboxydothermus hygrogenaformans para a produção de hidrogênio. Os especialistas na técnica estarão cientes de meios adequados para manter o biorreator no pH requerido. Entretanto, a título de exemplo, bases aquosas tais como NaOH e ácidos aquosos tais como H2SO4 podem ser utilizados para aumentar e diminuir o pH do meio de fermentação e manter o pH desejado.

[00117] Um benefício adicional da invenção é que, devido a não ter ou apenas mínima fricção e/ou outros processos de tratamento realizados nos gases residuais antes de seu uso em uma reação de fermentação, os gases irão conter material adicional resultante do processo industrial, cujo material adicional pode ser utilizado, pelo menos em parte, como matéria prima para a reação de fermentação.

[00118] Bactéria: Clostridium autoethanogenum utilizada é a depositada no German Resource Centre for Biological Material (DSMZ) e atribuídos nos números de acessão DSMZ 19630.

[00119] Fermentação: O meio foi preparado de acordo com a composição descrita nas Tabelas 1-3 para um volume de 1,5 l e 1,5ml de resazurina foi adicionado. A solução foi aquecida e agitada enquanto desgaseificada com N2. Uma gota de ANa2S foi iniciada em uma taxa de 0,1ml/hr e a temperatura do biorreator ajustada para 37°C. O pH foi ajustado para 5,0 com NH4OH e cromo foi adicionado para ajustar o ORP para -200 mV. O biorreator foi então suprido com RMG (43 % de CO, 20 % de CO2, 2,5 % de H2 e 33 % de N2).Experimento 1: Efeito do ciclo secundário na taxa de fluxo de líquido, retenção de gás e conversão de CO

[00120] O reator compreendia uma subida com diâmetro de 0,254 m e uma descida com um diâmetro de 0,138 m. O reator compreendia um ciclo secundário de 0,043m de diâmetro retirando o caldo pelo topo da descida e circulando o caldo utilizando uma bomba mecânica para o topo da subida, em que o caldo entrou no espaço superior do reator através de uma cabeça de chuveiro. A altura do reator era 6 m. O reator foi testado durante fermentação contínua do Clostridium autoethanogenum.

[00121] Durante o teste, a taxa de fluxo de líquido na descida, QL,0 foi 30 mVhr e a taxa de fluxo de líquido no segundo ciclo QL,2 foi 5,5 mVhr. Por volta do dia 20/02, o ciclo secundário foi desligado e uma diminuição imediata na retenção na descida de 11% para 5% foi observada, como mostrado na Figura 4. A velocidade da bomba de ciclo foi aumentada para 30% a 50% durante este período mas pode ser visto que isto não melhorou eficazmente a retenção na subida, devido aos dois efeitos competitivos da velocidade da bomba de ciclo na retenção da subida. No dia 20/8, o ciclo secundário foi reativado e a retenção da subida foi melhorada imediatamente, mesmo em uma velocidade de bomba de ciclo reduzida.

[00122] O efeito do segundo ciclo na conversão de CO durante o mesmo período de teste é mostrado na Figura 5. Uma queda imediata na conversão de CO foi observada após o ciclo secundário ser desativado, devido à diminuição na retenção na subida e, portanto, uma diminuição na área de transferência de massa. Esta situação foi levemente aliviada por aumentar continuamente a bomba de ciclo, que aumentou a retenção na descida. Entretanto, esta abordagem foi muito menos eficaz que a reativação do ciclo secundário no Dia 20/8.

[00123] O efeito do ciclo secundário na retenção da subida em diferentes taxas de fluxo de entrada de gás também foi investigado em um reator menor, com um diâmetro à montante de 3 polegadas e uma altura de 1,1 m. O separador deste reator menor tinha um diâmetro de 6 polegadas e uma altura eficaz de 270 mm. O diâmetro da descida era 1,5 polegadas e o diâmetro do ciclo secundário era 0,5 polegada. Os resultados na Figura 6 mostram que com o ciclo secundário, a retenção na subida é significativamente aumentada, especialmente em menores taxas de fluxo de gás superficial. Parece haver um limite máximo da retenção da subida em torno de 15%, que é relacionado às mudanças do regime de fluxo em tal reator menor. Entretanto, um efeito de retenção positivo do ciclo secundário persiste.Experimento 2: Efeito do ciclo secundário na retenção do gás e conversão de CO em larga escala

[00124] Experimentos hidrodinâmicos similares investigando o efeito do ciclo secundário foram realizados em reatores maiores de 10 metros de altura, com 1 metro de diâmetro na subida e 0,5 metro de diâmetro na descida. O diâmetro do ciclo secundário era 2 polegadas. Como mostrado nas figuras 7 e 8, os resultados foram similares. Pode ser visto na Figura 7 que ambas a retenção da subida e descida aumentaram linearmente com um aumento na velocidade de bomba de ciclo secundário, em que a transferência de massa deve melhorar de acordo. Figura 8 mostra o efeito do ciclo secundário na conversão de CO de outro teste em um reator do mesmo tamanho.

Geral

[00125] As modalidades da invenção são descritas a título de exemplo. Entretanto, deve-se apreciar que etapas particulares ou estágios necessários em uma modalidade podem não ser necessários em outros. Inversamente, as etapas ou estágios incluídos na descrição de uma modalidade particular podem ser opcionalmente vantajosamente utilizados nas modalidades em que não são especificamente mencionados.

[00126] Enquanto a invenção é amplamente descrita com referência a qualquer tipo de corrente que pode ser movida através ou em torno dos sistemas por quaisquer meios de transferência conhecidos, em certas modalidades, o substrato e/ou correntes de exaustão são gasosos. Os especialistas na técnica irão apreciar que estágios particulares podem ser acoplados por meios de condutos adequados ou similares, configuráveis para receber ou passar correntes através de um sistema. Uma bomba ou compressor pode ser fornecido para facilitar a liberação das correntes para estágios particulares. Além disso, um compressor pode ser utilizado para aumentar a pressão do gás fornecidos para um ou mais estágios, por exemplo, o biorreator. Como discutido aqui acima, a pressão dos gases dentro de um biorreator pode afetar a eficiência da reação de fermentação realizada nele. Portanto, a pressão pode ser ajustada para melhorar a eficiência da fermentação. Pressões adequadas para reações comuns são conhecidas na técnica.

[00127] Em adição, os sistemas ou processos da invenção podem opcionalmente incluir meios para regular e/ou controlar outros parâmetros para melhorar a eficácia geral do processo. Um ou mais processos podem ser incorporados dentro do sistema para regular e/ou controlar parâmetros particulares do processo. Por exemplo, modalidades particulares podem incluir meios para monitorar a composição do substrato e/ou correntes de exaustão. Em adição, modalidades particulares podem incluir meios para controlar a liberação de uma corrente de substrato para estágios particulares ou elementos dentro de um sistema particular se os meios de determinação determinam que a corrente tem uma composição adequada para um estágio particular. Por exemplo, em instâncias em que a corrente de substrato gasoso contém baixos níveis de CO ou altos níveis de O2 que podem ser prejudiciais para uma reação de fermentação, a corrente de substrato pode ser desviada para longe do biorreator. Em modalidades particulares da invenção, o sistema inclui meios para monitorar e controlar a destinação de uma corrente de substrato e/ou a taxa de fluxo, de modo que uma corrente com uma composição desejada ou adequada pode ser liberada para um estágio particular.

[00128] Em adição, pode ser necessário aquecer ou resfriar componentes do sistema particular ou corrente de substrato antes de ou durante um ou mais estágios no processo. Em tais instâncias, meios conhecidos de aquecimento ou resfriamento podem ser utilizados. Por exemplo, trocadores de calor podem ser empregados para aquecer ou resfriar as correntes de substrato.

[00129] Além disso, o sistema pode incluir uma ou mais etapas de pré/pós tratamento para melhorar a operação ou eficiência de um estágio particular. Por exemplo, a etapa pré-tratamento pode incluir meios para remoção de material particulado e/ou hidrocarbonetos de cadeia longa ou alcatrões de uma corrente de substrato gasoso. Outras operações pré/pós que podem ser conduzidas incluem separação dos produtos desejados de estágios particulares, tais como, por exemplo, o estágio de produção do biorreator (por exemplo, remoção de etanol por destilação).

[00130] A invenção foi descrita aqui com referência a certas modalidades preferenciais, de modo a capacitar o leitor a praticar a invenção sem uma experimentação indevida. Os especialistas na técnica irão apreciar que a invenção pode ser praticada em um grande número de variações e modificações. Além disso, títulos, cabeçalhos, ou similares são fornecidos para adicionar ao leitor a compreensão deste documento, e não devem ser lidos como limitantes do escopo da presente invenção. A divulgação completa de todas as aplicações, patentes e publicações são citadas aqui e incorporadas por referência.

[00131] Mais particularmente, como será apreciado por um especialista na técnica, implementações de modalidades da invenção podem incluir um ou mais elementos adicionais. Apenas os elementos necessários para entender a invenção em seus vários aspectos podem ser mostrados em um exemplo particular ou na descrição. Entretanto, o escopo da invenção não é limitado às modalidades descritas e sistemas incluídos e/ou métodos incluindo uma ou mais etapas adicionais e/ou uma ou mais etapas substituídas, e/ou métodos omitindo uma ou mais etapas.

[00132] A referência a qualquer técnica anterior nesta especificação não é, e não deve ser tomada como, um reconhecimento ou qualquer forma de sugestão que a técnica anterior faz parte do conhecimento comum no campo de empreendimento em qualquer país.

[00133] Através desta especificação e qualquer reivindicação que segue, ao menos que o contexto requeira de outro modo, as palavras “eqortggpfg”. “eqortggpfgpfq” g ukoüctgu, fgxgo ugt kpVgtrtgVcfcu go wo sentido inclusivo como oposto a um sentido exclusivo, que quer dizer, no ugpuq fg “kpenwkpfq, gpVtg qwVtqu”

Claims (16)

1. Sistema de reator para a fermentação de um substrato gasoso, o sistema caracterizado pelo fato de que compreende:(a) um recipiente de fermentação compreendendo uma seção de subida (2) em que um caldo de fermentação líquido (3) e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente para cima e uma seção de descida (8) em que o caldo de fermentação líquido (3) e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente para baixo, as referidas seções de subida (2) e descida (8) conectadas por seções horizontais e configuradas de modo que o caldo de fermentação líquido (3) e o substrato gasoso sejam circulados, utilizando meios de bombeamento, em um ciclo primário de um ponto próximo ao fundo da seção de descida (8), através da subida (2) para um ponto de entrada no topo da seção de descida (8);(b) um ciclo secundário compreendendo um local de saída em um ponto próximo ao fundo da seção de subida (2), meios de tubulação conectando a saída do fundo da subida (2) para uma entrada no topo da subida (2) e meios de bombeamento localizados entre o ponto de saída e o ponto de entrada de modo que o caldo de fermentação (3) e o substrato gasoso sejam circulados do fundo da descida (8) para o topo da seção de subida (2);(c) pelo menos uma entrada de gás configurada para direcionar o substrato gasoso dentro da seção de subida (2); e(d) pelo menos uma saída de gás, configurada para permitir que o gás saia da seção de subida (2).

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os meios de bombeamento de (a) estão localizados na seção horizontal conectando o fundo da seção de descida (8) à extremidade de fundo da seção de subida (2) e a saída da saída do ciclo secundário é localizada à jusante dos meios de bombeamento.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda pelo menos uma válvula de porta localizada abaixo dos meios de bombeamento de (a), a válvula de porta operada sob condições para regular a pressão dentro do recipiente de fermentação e fornecer uma taxa de fluxo de ciclo secundário desejada.

4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda pelo menos um bocal ligado à entrada do ciclo secundário no topo da seção de subida (2).

5. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ciclo secundário ainda compreende um ciclo de reciclo celular compreendendo um módulo de reciclo celular (19) compreendendo uma bomba de reciclo celular (16), a bomba de reciclo celular (16) agindo como meio de bombeamento de (b).

6. Método para melhorar a transferência de massa de um substrato gasoso para um caldo de fermentação (3) em um recipiente de fermentação compreendendo uma seção de subida (2) em que um caldo de fermentação líquido (3) e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente para cima e uma seção de descida (8) em que o caldo de fermentação líquido (3) e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente para baixo, o método caracterizado pelo fato de que compreende:(a) fornecer um substrato gasoso para o recipiente de fermentação compreendendo um meio nutriente líquido e um ou mais micro-organismos;(b) fermentar o substrato gasoso para produzir um caldo de fermentação (3) e pelo menos um produto;(c) circular o caldo de fermentação (3) e o substrato gasoso através da seção de subida (2) e a seção de descida (8) do recipiente de fermentação; e(d) passar pelo menos uma porção do caldo de fermentação (3) do fundo da seção de descida (8) e circulá-lo para o topo da seção de subida (2) através de um ciclo secundário, em que o caldo de fermentação (3) entra no topo da seção de subida (2) através de pelo menos um bocal.

7. Método para reduzir a espuma no espaço superior (6) de um recipiente de fermentação compreendendo uma seção de subida (2) em que o caldo de fermentação líquido (3) e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente para cima e uma seção de descida (8) em que o caldo de fermentação líquido (3) e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente para baixo, o método caracterizado pelo fato de que compreende:(a) fornecer um substrato gasoso para o recipiente de fermentação compreendendo um meio nutriente líquido e um ou mais micro-organismos;(b) fermentar o substrato gasoso para produzir um caldo de fermentação (3) e espuma presente no espaço superior (6) do recipiente de fermentação de pelo menos um produto;(c) remover o caldo de fermentação (3) da seção de descida (8) do recipiente de fermentação; e(d) circular o caldo de fermentação (3) para o topo da seção de subida (2) através de um ciclo secundário, em que o caldo de fermentação (3) entra no espaço superior (6) através de pelo menos um bocal;em que o caldo de fermentação (3) entrando no espaço superior (6) reduz a espuma presente dentro do recipiente de fermentação.

8. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que o substrato gasoso é selecionado do grupo que consiste em CO, CO2, H2 e misturas dos mesmos.

9. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que o substrato gasoso é fornecido para o fundo da seção de subida (2) do recipiente de fermentação.

10. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que o recipiente de fermentação compreende pelo menos um meio de bombeamento para circular o caldo de fermentação (3) através da seção de subida (2) e da seção de descida (8) do recipiente de fermentação.

11. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que o ciclo secundário compreende pelo menos um meio de bombeamento secundário.

12. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7,caracterizado pelo fato de que o ciclo secundário ainda compreende ummódulo de reciclo celular (19).

13. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7,caracterizado pelo fato de que pelo menos um bocal compreende uma cabeça de chuveiro (10).

14. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que um ou mais micro-organismos são selecionados do grupo que consiste em Clostridium, Moorella, Oxobacter, Peptostreptococcus, Acetobacterium, Eubacterium e Butyribacterium.

15. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que um ou mais micro-organismos são selecionado do grupo que consiste em Clostridium autoethanogenum e Clostridium ljungdahlii.

16. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que pelo menos um produto é selecionado do grupo que consiste em etanol, ácido acético e 2,3-butanodiol.

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