BR112017001252B1

BR112017001252B1 - Processo para controlar a fermentação de substrato contendo co

Info

Publication number: BR112017001252B1
Application number: BR112017001252-9A
Authority: BR
Inventors: Peter Simpson Bell; Song Liu
Original assignee: Jupeng Bio (Hk) Limited
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2022-05-17
Also published as: RU2017104282A; AU2015302221A1; ZA201700412B; JP2017527278A; RU2017104282A3; CN106604996A; US20160047007A1; CA2954909C; TW201614074A; CA2954909A1; RU2689545C2; EP3180438A1; AU2015302221B2; JP6907112B2; WO2016025139A1; US9765408B2; KR102524166B1; TWI713463B; BR112017001252A2; KR20170040247A

Abstract

Um processo para a fermentação estável de substratos contendo CO e produtividade em etanol aumentada inclui o provimento de componentes de meio em quantidades necessárias para os microrganismos na fermentação. O processo inclui a determinação de uma concentração de potássio no meio de fermentação e o provimento de um primeiro meio e um segundo meio para a fermentação, o primeiro meio sendo provido a uma taxa efetiva para a manutenção do potássio no meio de fermentação em uma faixa de cerca de 20 a cerca de 200 mg/L até se alcançar uma densidade de células alvo.

Description

RELATÓRIO DESCRITIVO

[001] Este Pedido reivindica o benefício do Pedido Provisório US n° 62/036.239, depositado em 12 de agosto de 2014, o qual é aqui incorporado como referência em sua totalidade.

[002] É provido um processo para a fermentação de um substrato contendo CO. Mais especificamente, o processo inclui a determinação de uma concentração de nutriente no meio de fermentação e manutenção destas concentrações no meio de fermentação e manutenção destas concentrações dentro de faixas de concentração. O processo inclui adicionalmente a manutenção de certas concentrações de nutriente efetivas para prover um STY de 10 g de álcool total/(L-dia) ou mais.

ANTECEDENTES

[003] Fermentações ocorrem em meios líquidos definidos. Estes meios tipicamente incluem várias fontes de macro e micronutrientes que são importantes para melhorar o desempenho da fermentação. Os meios utilizados em conexão com substratos menos comuns, tais como substratos gasosos, requerem meios bem definidos de maneira a otimizar o desempenho. As fermentações anaeróbicas também requerem meios bem definidos.

[004] Micro-organismos anaeróbicos podem produzir etanol a partir de monóxido de carbono (CO) por meio de fermentação de substratos gasosos. Fermentações que utilizam micro-organismos anaeróbicos do gênero Clostridium produzem etanol e outros produtos úteis. Por exemplo, a patente US 5.173.429 descreve Clostridium ljungdahlii ATCC No. 49587, um micro-organismo anaeróbico que produz etanol e acetato a partir de gás de síntese. A patente US 5.807.722 descrive um método e um aparelho para a conversão de gases de rejeito em ácidos orgânicos e álcoois utilizando Clostridium ljungdahlii ATCC No. 55380. A patente US 6.136.577 descreve um método e um aparelho para a conversão de gases de rejeito em etanol utilizando Clostridium ljungdahlii ATCC No. 55988 e 55989.

[005] A patente US 7.285.402 descreve meios conhecidos para uso em fermentação anaeróbica de substratos gasosos para produzir etanol. Vários componentes e concentrações de componentes no meio são efetivos para prover altos níveis de produtividade de etanol. O provimento de certos componentes no meio em vários momentos durante a fermentação, conforme necessitado pelos micro-organismos pode aumentar a produtividade do etanol e processos de fermentação mais estáveis.

SUMÁRIO

[006] Um processo para fermentação estável de substratos contendo CO e produtividade aumentada de etanol inclui o provimento de componentes de meio em quantidades necessárias para os microorganismos na fermentação. Mais especificamente, um processo para a fermentação de um substrato contendo CO inclui o provimento do substrato contendo CO para uma fermentação e fermentação do substrato contendo CO. O processo inclui adicionalmente o monitoramento das concentrações de nutrientes em um meio de fermentação utilizando uma técnica selecionada do grupo consistindo em: cromatografia iônica, espectrometria de plasma acoplado de forma indutiva, eletrodos seletivos para íon, fotometria de chama, absorção atômica por ionização de chama e combinações destas.

[007] Em outro aspecto, um processo para a fermentação de um substrato contendo CO inclui o provimento do substrato contendo CO para uma fermentação e fermentação do substrato contendo CO; determinação de uma concentração de potássio no meio de fermentação; e provimento de um primeiro meio e um segundo meio para a fermentação, o primeiro meio provido a uma taxa efetiva para manter o potássio no meio de fermentação em uma faixa de cerca de 20 a cerca de 200 mg/L até alcançar uma densidade de células alvo.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[008] A descrição a seguir não deve ser tomada em um sentido limitante, mas é fornecida meramente para o propósito de descrever os princípios gerais das realizações exemplificativas. O escopo da invenção devendo ser determinado pelas Reivindicações.

Definições

[009] A não ser de outra forma definidos, os termos a seguir, tal como utilizados por todo este relatório, são definidos como se segue e podem incluir tanto as formas no singular quanto no plural das definições abaixo:

[0010] O termo “cerca de” que modifica qualquer quantidade se refere à variação nesta quantidade encontrada em condições de mundo real, por exemplo, no laboratório, planta piloto ou instalação de produção. Por exemplo, uma quantidade de um ingrediente ou medida empregada em uma mistura ou quantidade quando modificadas por “cerca de” inclui a variação e graus de cuidado tipicamente empregados em uma condição experimental na planta de produção ou laboratório. Por exemplo, a quantidade de um componente de um produto quando modificada por “cerca de” inclui a variação entre bateladas em experimentos múltiplos na planta ou laboratório e a variação inerente no método analítico. Modificada ou não por “cerca de”, as quantidades incluem equivalentes a estas quantidades. Qualquer quantidade indicada aqui e modificada por “cerca de” pode ser também empregada no presente relatório como a quantidade não modificada por “cerca de”.

[0011] “Material carbonáceo” conforme utilizado aqui refere-se a um material rico em carbono, tal como carvão e produtos petroquímicos. Entretanto, neste relatório, material carbonáceo inclui qualquer material de carbono no estado sólido, líquido, gás ou de plasma. Entre os numerosos itens que podem ser considerados como material carbonáceo, o presente relatório contempla: material carbonáceo, produto líquido carbonáceo, reciclo líquido industrial carbonáceo, rejeito sólido municipal carbonáceo (MSW ou msw), rejeito urbano carbonáceo, material carbonáceo de agricultura, material carbonáceo florestal, rejeito de madeira carbonáceo, material de construção carbonáceo, material vegetativo carbonáceo, rejeito industrial carbonáceo, rejeito carbonáceo de fermentação, subprodutos carbonáceos petroquímicos, subprodutos da produção de álcool carbonáceos, carvão carbonáceo, pneus, plásticos, plástico de rejeito, alcatrão de coque, “fibersoft”, lignina, licor negro, polímeros, polímeros de rejeito, tereftalato de polietileno (PETA), poliestireno (PS), lama de esgoto, rejeito animal, resíduos de cultura, culturas energéticas, resíduos de processamento florestal, resíduos do processamento de madeira, resíduos de gado, resíduos de frango, resíduos do processamento de alimentos, rejeitos de processo fermentativo, subprodutos do etanol, grãos usados, micro-organismos usados, ou suas combinações.

[0012] O termo “fibersoft” ou “Fibersoft” ou “fibrosoft” ou “fibrousoft” significa um tipo de material carbonáceo que é produzido como resultado do amaciamento e concentração de várias substâncias; em um exemplo, é um material carbonáceo produzido por meio de autoclave em vapor de várias substâncias. Em outro exemplo, a “fibersoft” pode incluir autoclavagem a vapor de rejeito municipal, industrial, comercial e médico resultando em um material fibroso flexível.

[0013] O termo “rejeito sólido municipal” ou “MSW” ou “msw” significa rejeito que pode incluir rejeito doméstico, comercial, industrial e/ou residual.

[0014] O termo “singás” ou “gás de síntese” significa gás de síntese que é um nome dado para uma mistura de gases que contém quantidades variáveis de monóxido de carbono e hidrogênio. Exemplos de métodos de produção incluem reforma a vapor de gás natural ou hidrocarbonetos para produzir hidrogênio, a gaseificação de carvão e em alguns tipos de instalações de gaseificação rejeito para energia. O mesmo nome é proveniente de sue uso como intermediários na obtenção de gás natural sintético (SNG) e para a produção de amônia ou metanol. Singás é combustível e é frequentemente utilizado como fonte de combustível ou como um intermediário para a produção de outros produtos químicos.

[0015] “Ton” ou “ton” refere-se a tonelada curta americana, isto é, cerca de 907,2 kg (2000 lbs).

[0016] Conforme utilizada aqui, a produtividade é expressa como STY. Neste aspecto, a produtividade em álcool pode ser expressa como STY (rendimento espaço-tempo (“rendimento espaço-tempo”) expresso como g de etanol/(L-dia).

Substrato Contendo CO

[0017] Um substrato contendo CO pode incluir qualquer gás que contenha CO. Neste aspecto, um gás contendo CO pode incluir singás, gases industriais e misturas destes.

[0018] O singás pode ser provido a partir de qualquer fonte conhecida. Em um aspecto, o singás pode ser obtido da gaseificação de materiais carbonáceos. A gaseificação envolve a combustão parcial de biomassa em um suprimento restrito de oxigênio. O gás resultante inclui principalmente CO e H2. Neste aspecto, o singás irá conter pelo menos cerca de 10 moles % de CO, em um aspecto, pelo menos cerca de 20 moles, em um aspecto, cerca de 10 a cerca de 100 moles, em outro aspecto, cerca de 20 a cerca de 100 moles % de CO, em outro aspecto, cerca de 30 a cerca de 90 moles % de CO, em outro aspecto, cerca de 40 a cerca de 80 moles % de CO e, em outro aspecto, cerca de 50 a cerca de 70 moles % de CO. Alguns exemplos de métodos de gaseificação e aparelhos adequados são providos nos pedidos de patente US números de série 61/516.667, 61/516.704 e 61/516.646, todos os quais foram depositados em 6 de abril de 2011, e números de série 13/427.144, 13/427.193 e 13/427.247, todos os quais foram depositados em 22 de março de 2012, e todos os quais são incorporados aqui como referência.

[0019] Em outro aspecto, o processo tem aplicação para suportar a produção de álcool a partir de substratos gasosos tais como gases de combustão industriais contendo CO em alto volume. Em alguns aspectos, um gás que inclui CO é derivado de rejeito contendo carbono, por exemplo, gases de rejeito industriais ou proveniente da gaseificação de outros rejeitos. Como tal, os processos representam os processos efetivos para a captura de carbono que de outra maneira seria expelido para o meio ambiente. Exemplos de gases de combustão industriais incluem gases produzidos durante a fabricação de produtos metálicos ferrosos, fabricação de produtos não ferrosos, processos de refino de petróleo, gaseificação de carvão, gaseificação de biomassa, produção de energia elétrica, produção de negro de fumo, produção de amônia, produção de metanol e fabricação de coque.

[0020] Dependendo da composição do substrato contendo CO, o substrato contendo CO pode ser provido diretamente para um processo de fermentação ou pode ser adicionalmente modificado para incluir uma proporção molar apropriada H2 para CO. Em um aspecto, o substrato contendo CO provido para o fermentador apresenta uma proporção molar H2 para CO de cerca de 0,2 ou mais, em outro aspecto, cerca de 0.25 ou mais e, em outro aspecto, cerca de 0,5 ou mais. Em outro aspecto, o substrato contendo CO provido para o fermentador pode incluir cerca de 40 moles por cento ou mais de CO mas H2 e cerca de 30 moles por cento ou menos de CO, em outro aspecto, cerca de 50 moles por cento ou mais de CO mais H2 e cerca de 35 moles por cento ou menos de CO e, em outro aspecto, cerca de 80 moles por cento ou mais de CO mais H2 e cerca de 20 moles por cento ou menos de CO.

[0021] Em um aspecto, o substrato contendo CO inclui principalmente CO e H2. Neste aspecto, o substrato contendo CO irá conter pelo menos cerca de 10 moles % de CO, em um aspecto, pelo menos cerca de 20 moles, em um aspecto, cerca de 10 a cerca de 100 moles, em outro aspecto, cerca de 20 a cerca de 100 moles % de CO, em outro aspecto, cerca de 30 a cerca de 90 moles % de CO, em outro aspecto, cerca de 40 a cerca de 80 moles % de CO e, em outro aspecto, cerca de 50 a cerca de 70 moles % de CO. O substrato contendo CO conterá uma proporção CO/CO2 de pelo menos cerca de 0,75, em outro aspecto, pelo menos cerca de 1,0 e, em outro aspecto, pelo menos cerca de 1.5.

[0022] Em um aspecto, um separador de gás é configurado para separar substancialmente pelo menos uma parte da corrente gasosa, onde a parte inclui um ou mais componentes. Por exemplo, o separador de gás pode separar CO2 de uma corrente gasosa compreendendo os seguintes componentes: CO, CO2, H2, onde o CO2 pode ser passado para um removedor de CO2 e o restante da corrente gasosa (compreendendo CO e H2) pode ser passada para um biorreator. Qualquer separador de gás conhecido na técnica pode ser utilizado. Neste aspecto, o singás provido para o fermentador conterá cerca de 10 moles % ou menos de CO2, em outro aspecto, cerca de 1 mol % ou menos de CO2 e, em outro aspecto, cerca de 0,1 mol % ou menos de CO2.

[0023] Certas correntes gasosas podem incluir uma alta concentração de CO e baixas concentrações de H2. Em um aspecto, pode ser desejável se otimizar a composição da corrente de substrato de maneira a se alcançar maior eficiência na produção de álcool e/ou na captura global de carbono. Por exemplo, a concentração de H2 na corrente de substrato pode ser aumentada antes da corrente ser passada para o biorreator.

[0024] De acordo com aspectos particulares da invenção, correntes de duas ou mais fontes podem ser combinadas e/ou misturadas para produzir uma corrente de substrato desejável e/ou otimizada. Por exemplo, uma corrente compreendendo uma concentração alta de CO, tal como a exaustão de um conversor de usina de aço, pode ser combinada com uma corrente compreendendo altas concentrações de H2, tal como gás de exaustão de um forno de coque de usina de aço.

[0025] Dependendo da composição do substrato gasoso contendo CO, pode também ser desejável o tratar para remover impurezas indesejáveis, tais como partículas de poeira antes da introdução na fermentação. Por exemplo, o substrato gasoso pode ser filtrado ou purificado utilizando-se métodos conhecidos.

Projeto e Operação do Biorreator

[0026] Descrições de projetos de fermentador são apresentadas nos pedidos de patente US números de série 13/471.827 e 13/471.858, ambos depositados em 15 de maio de 2012, e pedido de patente US número de série 13/473.167, depositado em 16 de maio de 2012, todos os quais são aqui incorporados como referência.

[0027] De acordo com um aspecto, o processo de fermentação é iniciado pela adição de meio ao vaso reacional. Alguns exemplos de composições de meio são descritos nos pedidos de patente US números de série 61/650.098 e 61/650.093, depositados em 22 de maio de 2012, e na patente US 7.285,402, depositada em 23 de julho de 2001, todos os quais são aqui incorporados como referência. O meio pode ser esterilizado para remover micro-organismos indesejáveis e o reator é inoculado com os micro-organismos desejados. A esterilização pode não ser sempre necessária.

[0028] Em um aspecto, o micro-organismo utilizado inclui bactérias acetogênicas. Exemplos de bactérias acetogênicas úteis incluem as do gênero Clostridium, tais como cepas de Clostridium ljungdahlii, incluindo os descritos nos documentos WO 2000/68407, EP 117309, patentes US 5.173.429, 5.593.886 e 6.368.819, documentos WO 1998/00558 e WO 2002/08438, cepas de Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 e DSM 19630 do DSMZ, Alemanha) incluindo as descritas nos documentos WO 2007/117157 e WO 2009/151342 e Clostridium ragsdalei (Pll, ATCC BAA-622) e Alkalibaculum bacchi (CPU, ATCC BAA- 1772) incluindo os descritos, respectivamente, na patente US 7.704.723 e em “Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas”, Hasan Atiyeh, apresentado em na Oklahoma EPSCoR Annual State Conference, 29 de abril de 2010 e Clostridium carboxidivorans (ATCC PTA-7827) descrito no pedido de patente US n°2007/0276447. Outros micro-organismos adequados incluem os do gênero Moorella, incluindo Moorella sp. HUC22-1, e os do gênero Carboxydothermus. Cada uma destas referências é incorporada aqui como referência. Culturas mistas de dois ou mais micro-organismos podem ser utilizadas.

[0029] Alguns exemplos de bactérias úteis incluem Acetogenium kivui, Acetoanaerobium noterae, Acetobacterium woodii, Alkalibaculum bacchi CP11 (ATCC BAA-1772), Blautia producta, Butyribacterium methylotrophicum, Caldanaerobacter subterraneous, Caldanaerobacter subterraneous pacificus, Carboxydothermus hydro genoformans, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium acetobutylicum P262 (DSM 19630 do DSMZ, Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 19630 do DSMZ, Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 do DSMZ, Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 23693 do DSMZ, Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 24138 do DSMZ, Alemanha), Clostridium carboxidivorans P7 (ATCC PTA-7827), Clostridium coskatii (ATCC PTA- 10522), Clostridium drakei, Clostridium ljungdahlii PETC (ATCC 49587), Clostridium ljungdahlii ERI2 (ATCC 55380), Clostridium ljungdahlii C-01 (ATCC 55988), Clostridium ljungdahlii 0-52 (ATCC 55889), Clostridium magnum, Clostridium pasteurianum (DSM 525 do DSMZ, Alemanha), Clostridium ragsdali Pll (ATCC BAA-622), Clostridium scatologenes, Clostridium thermoaceticum, Clostridium ultunense, Desulfotomaculum kuznetsovii, Eubacterium limosum, Geobacter sulfurreducens, Methanosarcina acetivorans, Methanosarcina barkeri, Morrella thermoacetica, Morrella thermoautotrophica, Oxobacter pfennigii, Peptostreptococcus productus, Ruminococcus productus, Thermoanaerobacter kivui, e misturas destes.

[0030] De forma desejável a fermentação deve ser conduzida sob condições apropriadas para que a fermentação desejada ocorra (por exemplo, CO a etanol). As condições reacionais que devem ser consideradas incluem pressão, temperatura, taxa de fluxo gasoso, taxa de fluxo líquido, pH do meio, potencial redox do meio, taxa de agitação (se for utilizado um reator com tanque agitado), nível de inóculo, substrato concentrações máximas do substrato gasoso para assegurar que o CO na fase líquida não se torne limitante, e concentrações máximas de produto para evitar inibição pelo produto.

[0031] Os métodos da invenção podem ser utilizados para sustentar a viabilidade de uma cultura microbiana, onde a cultura microbiana é limitada em CO, de tal forma que a taxa de transferência de CO para a solução é menor que a taxa de absorção da cultura. Tais situações podem ocorrer quando um substrato compreendendo CO não é continuamente provido para a cultura microbiana; a taxa de transferência de massa é baixa; ou há CO insuficiente em uma corrente de substrato para sustentar a vitalidade á temperatura ótima. Em tais realizações, a cultura microbiana irá esgotar rapidamente o CO dissolvido no meio nutriente líquido e se tornar um substrato limitado na medida em que o substrato não pode ser provido rápido o suficiente.

[0032] Início: Na inoculação, uma taxa de suprimento de gás de alimentação inicial é estabelecida efetiva para o suprimento da população inicial de micro-organismos. O gás efluente é analisado para se determinar o conteúdo do gás efluente. Os resultados da análise do gás são utilizados para controlar as taxas de alimentação de gás. Neste aspecto, o processo provê uma concentração calculada de CO para a taxa de densidade inicial de células de cerca de 0,5 a cerca de 0,9, em outro aspecto, cerca de 0,6 a cerca de 0,8, em outro aspecto, cerca de 0,5 a cerca de 0,7 e, em outro aspecto, cerca de 0,5 a cerca de 0,6.

[0033] Em outro aspecto, um processo de fermentação inclui o provimento de singás para um meio de fermentação em uma quantidade efetiva para o provimento de uma concentração inicial calculada de CO no meio de fermentação de cerca de 0,15 mM a cerca de 0,70 mM, em outro aspecto, cerca de 0,15 mM a cerca de 0,50 mM, em outro aspecto, cerca de 0,15 mM a cerca de 0,35 mM, em outro aspecto, cerca de 0,20 mM a cerca de 0,30 mM e, em outro aspecto, cerca de 0,23 mM a cerca de 0,27 mM. O processo é efetivo para aumentar a densidade de células em comparação com uma densidade de células inicial.

[0034] Conforme utilizada aqui, densidade de células alvo significa uma densidade de células de cerca de a cerca de 2,0 gramas/litro ou mais, em outro aspecto, cerca de 2 a cerca de 30 gramas/litro, em outro aspecto, cerca de 2 a cerca de 25 gramas/litro, em outro aspecto, cerca de 2 a cerca de 20 gramas/litro, em outro aspecto, cerca de 2 a cerca de 10 gramas/litro, em outro aspecto, cerca de 2 a cerca de 8 gramas/litro, em outro aspecto, cerca de 3 a cerca de 30 gramas/litro, em outro aspecto, cerca de 3 a cerca de 6 gramas/litro e, em outro aspecto, cerca de 4 a cerca de 5 gramas/litro.

[0035] Pós-início: Ao alcançar os níveis desejados, a fase líquida e o material celular são retirados do reator que é reabastecido com meio. O processo é efetivo para aumentar a densidade de células a cerca de 2,0 gramas/litro ou mais, em outro aspecto, cerca de 2 a cerca de 30 gramas/litro, em outro aspecto, cerca de 2 a cerca de 25 gramas/litro, em outro aspecto, cerca de 2 a cerca de 20 gramas/litro, em outro aspecto, cerca de 2 a cerca de 10 gramas/litro, em outro aspecto, cerca de 2 a cerca de 8 gramas/litro, em outro aspecto, cerca de 3 a cerca de 30 gramas/litro, em outro aspecto, cerca de 3 a cerca de 6 gramas/litro e, em outro aspecto, cerca de 4 a cerca de 5 gramas/litro. Determinação da Concentração de Nutrientes

[0036] Em um aspecto, o processo inclui a determinação da concentração de um nutriente no meio de fermentação. As concentrações de nutrientes monitoradas podem incluir K, Mg, P e misturas destes. Neste aspecto, a concentração de nutriente, particularmente a concentração de potássio, pode ser determinada utilizando-se cromatografia iônica (IC), espectrometria de plasma acoplado de forma indutiva (ICP), eletrodos seletivos para íon, fotometria de chama, absorção atômica por ionização de chama e combinações destes. Alguns exemplos de métodos que podem ser utilizados incluem: Small, Hamish (1989). Ion chromatography. New York: Plenum Press. ISBN 0-306-43290-0; Tatjana Weiss; Weiss, Joachim (2005). Handbook of Ion Chromatography. Weinheim: Wiley- VCH. ISBN 3-527-28701-9; Gjerde, Douglas T.; Fritz, James S. (2000). Ion Chromatography. Weinheim: Wiley- VCH. ISBN 3-527-29914-9; Joachim Weiss, Tatjana Weiss (traduzido por) (2005). Handbook of Ion Chromatography, Third, Completely Revised and Enlarged Edition. John Wiley e Sons, Inc. 931p. ISBN: 3-527-28701-9; e Jackson, Peter; Haddad, Paul R. (1990). Ion Chromatography: principles and applications. Amsterdam: Elsevier. ISBN 0-444-88232-4; todos os quais são aqui incorporados como referência. Alguns exemplos de equipamentos que podem ser utilizados incluem IC disponibilizado pela Thermo Scientific Dionex (www.thermoscientific.com/dionex) e OFITE (Houston, TX - www.ofite.com).

[0037] Em outro aspecto, o processo pode incluir adicionalmente a determinação das concentrações de potássio, magnésio e/ou PO4-3 no meio de fermentação. Neste aspecto, o processo pode incluir o monitoramento e controle de qualquer um ou qualquer combinação de potássio, magnésio e PO4-3. A seguinte tabela provê um exemplo de elementos e composições utilizadas.

Composições de Meio e Controle das Taxas de Alimentação de Meio

[0038] Composições de meio efetivas são descritas nos pedidos de patente US número de série 13/889.700, depositado em 8 de maio de 2013 e números de série 13/890.324 e 13/890.777, ambos depositados em 9 de maio de 2013, todos os quais são incorporados aqui como referência.

[0039] O meio de fermentação inclui menos de cerca de 0,01 g/L de extrato de levedura e menos de cerca de 0,01 g/L de carboidratos.

[0040] Enxofre é fornecido à fermentação na forma de NaHS. Neste aspecto, uma concentração de cerca de 20 a cerca de 500 ppm de H2S é mantida no gás liberado na fermentação pela adição de uma quantidade efetiva de NaHS ao meio de fermentação. Em outro aspecto, cerca de 200 a cerca de 500 ppm de H2S são mantidas no gás liberado na fermentação, em outro aspecto, cerca de 250 a cerca de 450 ppm de H2S são mantidas no gás liberado na fermentação e, em outro aspecto, cerca de 300 a cerca de 400 ppm de H2S são mantidas no gás liberado na fermentação.

[0041] A operação do processo mantém um pH em uma faixa de cerca de 3,5 a cerca de 5,0 e, em outro aspecto, cerca de 4 a cerca de 5. É provida uma fonte de nitrogênio (N) por meio de hidróxido de amônio, que é adicionado como uma corrente de alimentação separada com controle de pH - como resultado, o NH4+ ficará em ligeiro excesso na faixa de centenas de ppm.

[0042] De acordo com um aspecto do processo, são providos um primeiro e um segundo meio para a fermentação. Neste aspecto, o primeiro meio é provido a uma taxa efetiva para a manutenção do potássio no meio de fermentação em uma faixa de cerca de 20 a cerca de 200 mg/L até se obter uma densidade de células alvo. Em outro aspecto, o potássio no meio de fermentação é mantido em uma faixa de cerca de 20 a cerca de 160 mg/L, em outro aspecto, cerca de 20 a cerca de 100 mg/L, em outro aspecto, cerca de 110 a cerca de 190 mg/L, em outro aspecto, cerca de 120 a cerca de 180 mg/L, em outro aspecto, cerca de 130 a cerca de 170 mg/L e, em outro aspecto, cerca de 140 a cerca de 160 mg/L. Ao se alcançar uma densidade de células alvo, o primeiro e o segundo meio são providos a uma taxa efetiva para a manutenção da concentração de potássio no meio de fermentação em uma faixa de cerca de 20 a cerca de 160 mg/L, em outro aspecto, cerca de 20 a cerca de 50 mg/L e, em outro aspecto, cerca de 30 a cerca de 40 mg/L.

[0043] Em outro aspecto, o meio é provido a uma taxa efetiva para a manutenção da concentração de PO4-3 em uma faixa de cerca de 10 a cerca de 120 mg/L, em outro aspecto, cerca de 10 a cerca de 100 mg/L, em outro aspecto, cerca de 10 a cerca de 80 mg/L, em outro aspecto, cerca de 10 a cerca de 50 mg/L e, em outro aspecto, cerca de 10 a cerca de 25 mg/L. Ao se obter uma densidade de células alvo, o primeiro e o segundo meio são providos a uma taxa efetiva para a manutenção da concentração de PO4-3 no meio de fermentação em uma faixa de cerca de 10 a cerca de 120 mg/L, em outro aspecto, cerca de 10 a cerca de 80 mg/L, em outro aspecto, cerca de 10 a cerca de 40 mg/L e, em outro aspecto, cerca de 10 a cerca de 25 mg/L.

[0044] Em outro aspecto, o meio é provido com um taxa efetiva para a manutenção da concentração de Mg em uma faixa de cerca de 1 a cerca de 6 mg/L, em outro aspecto, cerca de 1 a cerca de 4 mg/L e, em outro aspecto, cerca de 1 a cerca de 3 mg/L, até se obter uma densidade de células alvo. Ao se alcançar uma densidade de células alvo, o primeiro e o segundo meio são providos com uma taxa efetiva para a manutenção da concentração de magnésio no meio de fermentação em uma faixa de cerca de 1 a cerca de 6 mg/L, em outro aspecto, cerca de 1 a cerca de 4 mg/L e, em outro aspecto, cerca de 1 a cerca de 3 mg/L.

[0045] Em outro aspecto, o meio é provido para a fermentação com uma taxa efetiva para a manutenção de uma razão de taxa de fluxo volumétrico do primeiro meio em relação ao segundo meio de cerca de 15:1 a cerca de 2:1, em outro aspecto, cerca de 10:1 a cerca de 2:1 e, em outro aspecto, cerca de 4:1 a cerca de 2:1.

[0046] Em outro aspecto, o processo inclui o controle da taxa de alimentação de nutriente para se obter as concentrações de nutrientes desejadas. Neste aspecto, se os níveis de potássio forem encontrados como sendo superiores a cerca de 50 mg/L, então a quantidade do primeiro meio é reduzida em cerca de 10% a cada 4 horas até se obter um nível alvo de potássio. Em outro aspecto, se os níveis de fosfato forem encontrados como sendo abaixo de cerca de 10 ppm, então a quantidade do primeiro meio é aumentada em cerca de 10% a cada hora até se obter um nível de fosfato alvo. Em outro aspecto, se os níveis de magnésio forem encontrados como sendo abaixo de cerca de 1 mg/L, então a quantidade do primeiro meio é aumentada em cerca de 10% a cada hora até se obter um nível alvo de magnésio.

[0047] As fermentações com singás conduzidas em biorreatores com meio e bactérias acetogênicas tal como descrito aqui, são efetivas para o provimento de conversões de CO no singás em álcoois e outros produtos. Neste aspecto, a produtividade em álcool pode ser expressa como STY (rendimento espaço-tempo expresso como g de etanol/(L- dia)). Neste aspecto, o processo é efetivo para o provimento de um STY (rendimento espaço-tempo) de pelo menos cerca de 10 g de etanol/(L- dia). Valores possíveis de STY incluem cerca de 10 g de etanol/(L- dia) a cerca de 200 g de etanol/(L-dia), em outro aspecto, cerca de 10 g de etanol/(L- dia) a cerca de 160 g de etanol/(L-dia), em outro aspecto, cerca de 10 g de etanol/(L- dia) a cerca de 120 g de etanol/(L-dia), em outro aspecto, cerca de 10 g de etanol/(L- dia) a cerca de 80 g de etanol/(L-dia), em outro aspecto, cerca de 10 g de etanol/(L-dia) a cerca de 15 g de etanol/(L-dia), em outro aspecto, cerca de 15 g de etanol/(L- dia) a cerca de 20 g de etanol/(L-dia), em outro aspecto, cerca de 20 g de etanol/(L-dia) a cerca de 140 g de etanol/(L-dia), em outro aspecto, cerca de 20 g de etanol/(L-dia) a cerca de 100 g de etanol/(L-dia), em outro aspecto, cerca de 40 g de etanol/(L-dia) a cerca de 140 g de etanol/(L-dia), em outro aspecto, cerca de 40 g de etanol/(L-dia) a cerca de 100 g de etanol/(L-dia), em outro aspecto, cerca de 10 g de etanol/(L-dia), em outro aspecto, cerca de 15 g de etanol/(L-dia) e, em outro aspecto, cerca de 16 g de etanol/(L-dia).

[0048] Embora a invenção mostrada aqui tenha sido descrita por meio de suas realizações, exemplos e aplicações específicas, numerosas modificações e variações podem ser feitas pelos técnicos no assunto sem se afastarem do escopo da invenção definida nas Reivindicações.

Claims

1. Processo Para Controlar a Fermentação de Substrato Contendo CO, caracterizado por que o processo compreende: prover o substrato contendo CO a uma fermentação e fermentar o substrato contendo CO com bactérias acetogênicas; e monitorar a concentração de nutriente num meio de fermentação utilizando uma técnica selecionada do grupo que consiste em cromatografia iônica, espectrometria de plasma acoplado de forma indutiva, eletrodos seletivos para íon, fotometria de chama, absorção atômica por ionização de chama e combinações dos mesmos, em que os nutrientes sendo monitorados são K, PO4-3, Mg e misturas dos mesmos, em que o meio de fermentação inclui um primeiro e um segundo nutrientes contendo meio e a etapa de monitoramento compreendendo fornecer o primeiro meio para a fermentação a uma taxa eficaz para manter uma concentração de potássio no meio de 20 a 200 mg/L até atingir uma densidade celular alvo de 2 a 30 g/L e fornecer o primeiro meio para a fermentação a uma taxa eficaz para manter uma concentração de potássio no meio de 20 a 160 mg/L após atingir a densidade celular alvo.

2. Processo Para Controlar a Fermentação de Substrato Contendo CO, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que a técnica utilizada para monitorar a concentração de nutriente é a cromatografia iônica.

3. Processo Para Controlar a Fermentação de Substrato Contendo CO, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o segundo meio é fornecido para a fermentação a uma taxa efetiva para manter uma taxa de fluxo volumétrica do primeiro meio para o segundo meio de 15:1 a 2:1.

4. Processo Para Controlar a Fermentação de Substrato Contendo CO, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o primeiro meio inclui elementos selecionados do grupo que consiste em K, Mg, Fe, PO4-3, Zn, Co, Ni e misturas dos mesmos.

5. Processo Para Controlar a Fermentação de Substrato Contendo CO, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o segundo meio inclui elementos selecionados do grupo que consiste em W, Se e misturas dos mesmos.

6. Processo Para Controlar a Fermentação de Substrato Contendo CO, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o substrato contendo CO possui uma razão molar de CO/CO2 de pelo menos 0,75.

7. Processo Para Controlar a Fermentação de Substrato Contendo CO, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o substrato contendo CO possui de 20 a 100% em mol de CO.

8. Processo Para Controlar a Fermentação de Substrato Contendo CO, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que o pH do meio de fermentação é mantido a um nível de 3,5 a 5,0.

9. Processo Para Controlar a Fermentação de Substrato Contendo CO, de acordo com a Reivindicação 8, caracterizado por que o pH é mantido com a adição de hidróxido de amônio.

10. Processo Para Controlar a Fermentação de Substrato Contendo CO, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que compreende ainda manter uma concentração de H2S no gás liberado pela fermentação numa faixa de 20 a 500 ppm de H2S.

11. Processo Para Controlar a Fermentação de Substrato Contendo CO, de acordo com a Reivindicação 10, caracterizado por que uma concentração de 20 a 500 ppm de H2S no gás liberado pela fermentação é mantida pela adição de NaHS ao meio de fermentação.

12. Processo Para Controlar a Fermentação de Substrato Contendo CO, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que a bactéria acetogênica é selecionada do grupo que consiste em Acetogenium kivui, Acetoanaerobium noterae, Acetobacterium woodii, Alkalibaculum bacchi CP11 (ATCC BAA-1772), Blautia producta, Butyribacterium methylotrophicum, Caldanaerobacter subterraneous, Caldanaerobacter subterraneous pacificus, Carboxydothermus hydrogenoformans, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium acetobutylicum P262 (DSM 19630 do DSMZ, Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 19630 do DSMZ, Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 10061 do DSMZ, Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 23693 do DSMZ, Alemanha), Clostridium autoethanogenum (DSM 24138 do DSMZ, Alemanha), Clostridium carboxidivorans P7 (ATCC PTA-7827), Clostridium coskatii (ATCC PTA- 10522), Clostridium drakei, Clostridium ljungdahlii PETC (ATCC 49587), Clostridium ljungdahlii ERI2 (ATCC 55380), Clostridium ljungdahlii C-01 (ATCC 55988), Clostridium ljungdahlii O-52 (ATCC 55889), Clostridium magnum, Clostridium pasteurianum (DSM 525 do DSMZ, Alemanha), Clostridium ragsdali P11 (ATCC BAA-622), Clostridium scatologenes, Clostridium thermoaceticum, Clostridium ultunense, Desulfotomaculum kuznetsovii, Eubacterium limosum, Geobacter sulfurreducens, Methanosarcina acetivorans, Methanosarcina barkeri, Morrella thermoacetica, Morrella thermoautotrophica, Oxobacter pfennigii, Peptostreptococcus productus, Ruminococcus productus, Thermoanaerobacter kivui e misturas das mesmas.