BR112017008128B1 - Processo de múltiplos estágios para converter fonte de carbono c1 em um produto final, e, processo biológico de múltiplos estágios para converter co em etanol - Google Patents

Abstract

PROCESSO DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS PARA CONVERTER FONTE DE CARBONO C1 EM UM PRODUTO FINAL, SISTEMA DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS, E, PROCESSO BIOLÓGICO DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS PARA CONVERTER CO EM ETANOL. Trata-se de processos e sistemas biológicos de múltiplos estágios para converter uma fonte de carbono C1 em produtos finais desejados. Os processos compreendem dividir um substrato que contém C1 gasoso, em paralelo, dentre múltiplos estágios de biorreator. Alimenta-se sucessivamente com os produtos líquidos, em série, a partir de um primeiro estágio de biorreator para estágios de biorreator a montante. A operação pode ser simplificada evitando-se a exigência por separação e reciclagem de microrganismo em cada estágio. Além disso, a transferência de massa de vapor e líquido geral para os estágios combinados é muito favorável, o que leva à alta produtividade de produto final com baixa produtividade de metabólito de subproduto em comparação.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] Os aspectos da invenção referem-se a processos para a fermentação microbiana de um substrato que contém C1 em produtos finais, os quais utilizam múltiplos estágios de biorreator. Em processos representativos, o substrato que contém C1 é dividido dentre os estágios para processamento de fase gasosa em paralelo, enquanto os produtos líquidos são passados de um estágio para o próximo estágio sucessivo para processamento de fase líquida em série.

DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA

[002] As preocupações ambientais sobre emissões de gás de estufa de combustível fóssil (GHG) levaram a uma ênfase crescente em fontes de energia renováveis. Como resultado, etanol está rapidamente se tornando um combustível de transporte líquido rico em hidrogênio principal ao redor do mundo. O crescimento contínuo no mercado global para a indústria de etanol combustível é esperado para o futuro previsível, com base na ênfase aumentada na produção de etanol na Europa, no Japão e nos Estados Unidos, assim como diversas nações em desenvolvimento. Por exemplo, nos Estados Unidos, o etanol é usado para produzir E10, uma mistura de 10% de etanol em gasolina. Em mesclas de E10, o componente de etanol atua como um agente de oxigenação, aprimorando-se a eficiência de combustão e reduzindo- se a produção de poluentes atmosféricos. No Brasil, o etanol satisfaz aproximadamente 30% da demanda de combustível para transporte, tanto como um agente de oxigenação mesclado em gasolina quanto como um combustível puro por si mesmo. Além disso, a União Europeia (EU) tem alvos mandados, para cada um de suas nações membros, para o consumo de combustíveis para transporte sustentáveis, tais como etanol derivado de biomassa.

[003] A maior parte de etanol combustível é produzida através de processos de fermentação à base de levedura tradicionais que usam carboidratos derivados de colheita, tais como a sacarose extraída a partir da cana-de-açúcar ou o amido extraído a partir de colheitas de grão, como a fonte principal de carbono. Entretanto, o custo dessas matérias-primas de alimentação de carboidrato é influenciado por seu valor no mercado para usos concorrentes, a saber, como fontes de alimentação tanto para seres humanos quanto animais. Além disso, o cultivo de amido ou colheitas de produção de sacarose para a produção de etanol não é economicamente sustentável em todos os locais geográficos, uma vez que essa é uma função tanto de valores de terra local quanto de clima. Por esses motivos, é de interesse particular desenvolver tecnologias para converter recursos de carbono de custo menor e/ou mais abundantes em etanol combustível. Em relação a isso, o monóxido de carbono (CO) é um subproduto rico em energia principal da combustão incompleta de materiais orgânicos, tais como carvão, óleo e produtos derivados de óleo. Os gases de refugo ricos em CO resultam de uma variedade de processos industriais. Por exemplo, relata-se que a indústria de aço na Austrália produz e libera na atmosfera mais de 500.000 toneladas métricas de CO anualmente.

[004] Mais recentemente, alternativas de processo com base em microrganismo (bacteriano) para produzir etanol a partir de CO em uma escala industrial se tornaram uma matéria de interesse e investimento comercial. A capacidade de culturas de microrganismo para crescer, com CO sendo a única fonte de carbono, foi descoberta primeiramente em 1903. Essa característica foi posteriormente determinada como residindo em um uso do organismo da trajetória bioquímica de coenzima A de acetila (CoA de acetila) de crescimento autotrófico (também conhecido como a trajetória de Woods- Ljungdahl e a trajetória de deidrogenase de monóxido de carbono/sintase de CoA de acetila (CODH/ACS)). Um grande número de organismos anaeróbicos, incluindo organismos carboxidotróficos, fotossintéticos e acetogênicos, mostraram, desde então, ter capacidade para metabolizar CO. As bactérias anaeróbicas, tais como aquelas do gênero Clostridium, são conhecidas por produzir etanol a partir de CO, CO2 e H2 por meio da trajetória bioquímica de CoA de acetila. Por exemplo, diversas linhagens de Clostridium ljungdahlii, que produzem etanol a partir de gases, são descritas nos Documentos nos WO 00/68407; EP 1117309 Al; US 5.173.429; US 5.593.886; US 6.368.819; WO 98/00558; e WO 02/08438. A bactéria Clostridium autoethanogenum sp também é conhecida por produzir etanol a partir de gases (Abrini et al, ARCHIVES OF MICROBIOLOGY 161: 345 a 351 (1994)).

[005] Devido ao fato de que cada enzima de um organismo promove sua conversão biológica designada com seletividade essencialmente perfeita, as rotas de síntese microbiana podem alcançar rendimentos maiores com custos menores de energia em comparação com rotas catalisadores convencionais. Por exemplo, as exigências de energia para separar subprodutos, os quais resultam de reações colaterais não seletivas, dos produtos desejados podem ser reduzidas. Além disso, as preocupações sobre o envenenamento de catalisadores, devido a impurezas no meio de reação, são diminuídas. Independentemente dessas vantagens aparentes, entretanto, a técnica precisa tratar de determinados desafios atualmente associados à síntese microbiana de etanol a partir de CO, particularmente, em termos de assegurar que a taxa de produção seja competitiva com outras tecnologias. Quando se usa CO como sua fonte de carbono, as bactérias anaeróbicas descritas acima produzem etanol por fermentação, mas as mesmas também produzem pelo menos um metabólito, por exemplo, CO2, metano, n-butanol e/ou ácido acético. A formação de qualquer um desses metabólitos tem o potencial para impactar significativamente a produtividade e a viabilidade econômica geral de um dado processo, conforme o carbono disponível é perdido para o metabólito (ou metabólitos) e a eficiência de produção do produto final desejado é comprometida. Além disso, a menos que um metabólito (por exemplo, ácido acético) em si tenha valor no momento e local do processo de fermentação microbiana, o mesmo pode representar um problema de eliminação de refugo. Diversas propostas para tratar da formação de produtos diferentes do produto final desejado na fermentação anaeróbica de gases que contêm CO para produzir etanol são discutidas nos Documentos nos WO2007/117357, WO2008/115080 e WO2009/022925.

[006] A taxa de produção de etanol, a qual é um determinante-chave para a possibilidade de um dado processo de fermentação ser economicamente atrativo, é altamente dependente do gerenciamento das condições apropriadas para crescimento bacteriano. Por exemplo, sabe-se, a partir do Documento no WO2010/093262, que o substrato que contém CO precisa ser fornecido a uma cultura microbiana a uma taxa que resulte no crescimento microbiano ideal e/ou na produção de metabólito desejada, se um substrato insuficiente for fornecido, o crescimento microbiano diminui de velocidade e os rendimentos de produto de fermentação pendem para o ácido acético às custas de etanol. Se substrato excessivo for fornecido, pode resultar em crescimento microbiano ruim e/ou morte celular. Informações adicionais em relação às relações entre parâmetros operacionais nesses processos são encontradas no Documento no WO2011/002318.

[007] A técnica de processos biológicos para produzir etanol a partir de CO e, particularmente, correntes de refugo que contêm CO, tais como os efluentes gasosos emitidos na produção de aço, está continuamente buscando soluções que aperfeiçoem a economia do processo e, portanto, a competitividade de indústria. De acordo com prática convencional, a separação e a reciclagem dos microrganismos que são usados para executar a conversão desejada são consideradas essenciais para alcançar uma produtividade aceitável em processos contínuos. Os sistemas de separação de membrana adequados, internos ou externos ao biorreator, são conhecidos por serem eficazes para esse propósito. Entretanto, as membranas e seus alojamentos associados, suas válvulas, sua instrumentação e seus controles somam significativamente ao capital geral e a custos operacionais. As opções de alterações de membranas e “limpeza no local” (CIP), tanto manuais quanto automáticas, exigem, em geral, uma quantidade significativa de tempo de operador, produtos químicos e aquecimento (no caso de operação manual) ou um custo de capital proibitivamente alto (no caso de operação automática). Por exemplo, alguns sistemas de biorreator exigem soluções de enzima de alto custo para limpar membranas de reciclagem de célula, uma vez que uma limpeza simples com solução cáustica (NaOH) foi constatado como ineficaz na prática.

[008] Em geral, as considerações importantes em processos de conversão de CO biológico se relacionam a aperfeiçoamentos de constatação que aumentam a flexibilidade operacional, aperfeiçoam a produtividade de etanol e a qualidade de produto e/ou utilizam de modo mais eficiente o CO. Alcançar mesmo os avanços mais modestos em qualquer uma dessas áreas, sem impactar substancialmente os gastos de capital e operacionais, pode ter implicações significativas na escala industrial de operação.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[009] Os aspectos da invenção se referem a aperfeiçoamentos em processos biológicos e sistemas associados para a geração de produtos finais úteis, tais como etanol, gerado através de trajetórias metabólicas de um microrganismo de fixação de C1 que utiliza, como um nutriente, a fonte de carbono C1 de um substrato que contém C1, tal como um gás de refugo industrial. Os processos e os sistemas representativos envolvem tipos alternativos de operação com o uso de múltiplos estágios de biorreatores interconectados e, particularmente, a operação em que é possível prever o gasto e a complexidade de separar o microrganismo carboxidotrófico para reciclagem para pelo menos um dentre os estágios (por exemplo, para pelo menos um biorreator dentre os estágios), em geral, a maior parte dos estágios (por exemplo, todos os estágios exceto pelo primeiro estágio e/ou o último estágio ou estágio final) e, normalmente, todos os estágios, usados no processo geral. Surpreendentemente, o uso de tal sistema e, particularmente, um em que se alimenta com um substrato que contém C1 em paralelo múltiplos biorreatores, enquanto alimenta os produtos líquidos em série, foi demonstrado como resultando em alta produtividade de etanol geral com produtividade correspondentemente baixa de metabólitos indesejados, tais como ácido acético. Outras vantagens, incluindo utilização de fonte de carbono C1 geral eficiente, assim como flexibilidade e controle de processo aperfeiçoados, também são realizadas.

[0010] As modalidades da invenção são direcionadas a processos de múltiplos estágios para converter a fonte de carbono C1 em um produto final. Os processos representativos compreendem alimentar com um substrato que contém C1 gasoso, em paralelo, um primeiro estágio de biorreator e pelo menos um segundo estágio de biorreator do processo, por exemplo, dividindose o substrato que contém C1 dentre os estágios de biorreator, de forma que a composição gasosa recebida em cada estágio seja a mesma ou substancialmente a mesma e represente aquela do substrato que contém C1 que é inserida no processo. Tais processos compreendem adicionalmente alimentar pelo menos uma porção de um produto líquido de primeiro estágio, em série, a partir do primeiro estágio de biorreator até o segundo estágio de biorreator, dessa forma, com a composição do produto líquido recebida em cada estágio ou pelo menos uma fração líquida livre de biomassa (por exemplo, uma fração do caldo líquido que não contém microrganismo de fixação de C1) da mesma, pode representar a saída recebida do estágio anterior a montante. Portanto, a composição do produto líquido recebida em cada estágio, diferente da composição gasosa, geralmente não é a mesma, e pode, na verdade, variar significativamente em relação às concentrações do produto final desejado e outros metabólitos. Por exemplo, a concentração do produto final desejado pode aumentar progressivamente ao longo de pelo menos alguns e, preferencialmente, todos os estágios, na direção de estágios a montantes para a jusantes sucessivos. Alternativamente, ou em combinação, outros metabólitos podem diminuir progressivamente ao longo de alguns ou todos tais estágios. As modalidades da invenção são direcionadas a processos de múltiplos estágios para converter a fonte de carbono C1 de um substrato que contém C1 em um produto final desejado, em que o processo de múltiplos estágios aumenta a especificidade do sistema para o produto final desejado.

[0011] Além disso, a separação e a reciclagem do microrganismo de fixação de C1 são vantajosamente evitadas em pelo menos um dos estágios de biorreator, de acordo com os processos representativos conforme descrito acima. Isso entra em contraste diretamente com processos biológicos de “quimiostato” contínuos convencionais que são entendidos para adquirir reciclagem celular a fim de obter níveis de produtividade aceitável. Consequentemente, pelo menos um estágio alimentado com o produto líquido (por exemplo, o segundo estágio que é alimentado com o produto líquido de primeiro estágio) pode compreender o microrganismo de fixação de C1 usado no estágio de biorreator a montante anterior (por exemplo, primeiro) e, por exemplo, o qual não foi separado ou filtrado nesse estágio a montante. Esse produto líquido compreende adicionalmente, de modo geral, o meio de cultura, o produto final desejado e outros metabólitos recebidos a partir do estágio a montante anterior. Portanto, de acordo com modalidades preferenciais, o estágio subsequente é alimentado com o produto líquido de pelo menos um estágio de biorreator (por exemplo, o produto líquido de primeiro estágio), sem gasto e complexidade adicionais envolvidos (1) na separação do microrganismo de fixação de C1 (por exemplo, com o uso de separação de membrana) seguida por (2) reciclagem do microrganismo separado para o mesmo estágio do qual o mesmo é retirado. Em modalidades preferenciais, os processos são executados sem qualquer separação de microrganismo de fixação de C1 de, e/ou reciclagem para, qualquer um dentre os estágios de biorreator, embora o produto líquido retirado de um estágio final seja normalmente separado dessa forma para recuperar o produto (ou produtos) final em um líquido livre de célula. De acordo com algumas modalidades, portanto, o microrganismo de fixação de C1 e/ou o meio de cultura celular podem ser separados do produto líquido de estágio final e retornados para o processo (por exemplo, para um ou mais dos estágios de biorreator).

[0012] Outras modalidades da invenção são direcionadas a sistemas de múltiplos estágios que compreendem uma pluralidade de biorreatores. Os biorreatores compreendem uma entrada de gás em uma primeira extremidade e uma saída de gás em uma segunda extremidade oposta à primeira extremidade, de forma que as entradas e saídas de gás permitam alimentar com um substrato que contém C1 gasoso a pluralidade de biorreatores e remover produtos gasosos que incluem a fonte de carbono C1 não convertida, em paralelo. Os biorreatores, tirando um primeiro biorreator e um biorreator final (isto é, não o biorreator mais a montante, devido ao fato de que não é alimentado com produto líquido de outro biorreator, ou o biorreator mais a jusante, devido ao fato de que outro biorreator não é alimentado com o produto líquido retirado desse biorreator), compreendem entradas e saídas de líquido separadas, para receber um produto líquido, incluindo microrganismo de fixação de C1 (biomassa), de um biorreator a montante adjacente e conduzir um produto líquido, incluindo microrganismo de fixação de C1 (células ou biomassa), para um biorreator a jusante adjacente, em série.

[0013] Em geral, tanto as entradas quanto as saídas de líquido são próximas às primeiras extremidades (isto é, as extremidades em que o substrato que contém C1 gasoso é recebido), de forma que o produto líquido possa ser alimentado e retirado de próximo do fundo dos biorreatores, por exemplo, dentro os últimos 25% ou dentro dos últimos 10%, do comprimento de reator. Uma saída de produto líquido, para receber um produto líquido final do biorreator final, é próxima, do mesmo jeito, à primeira extremidade do biorreator final. Na definição de locais de diversos recursos em relação a “comprimento de reator”, esse comprimento se refere àquele da seção que contém o conteúdo de reator (uma mistura por adição de reagentes e produtos de reação), comumente considerados como o “volume de reator” ou “volume operacional de reator” e esse comprimento não inclui linhas de processo (por exemplo, linhas de entrada de alimentação ou linhas de saída de produto) que pode se estender acima ou abaixo do volume de reator ou seções de uma coluna ou outro recipiente que aloja um reator, mas não contém qualquer conteúdo de reator. Por exemplo, no caso de um reator cilíndrico, o comprimento de reator se refere ao comprimento de eixo geométrico do cilindro. Os “últimos 10%” do comprimento de reator se referem a uma faixa de alturas, começando no fundo do reator e se estendendo para cima por 10% do comprimento de reator. Os “primeiros 10%” do comprimento de reator se referem a uma faixa de alturas, começando do topo do reator e se estendendo para baixo por 10% do comprimento de reator. Do mesmo modo, os “últimos 1% a 10%” do comprimento de reator se referem a uma faixa de alturas, começando de uma altura que é 1% do comprimento de reator acima do fundo de reator e se estende para cima até uma altura que é 10% do comprimento de reator acima do fundo do reator. Os primeiros “25% a 45%” do comprimento de reator se referem a uma faixa de alturas, começando de uma altura que é 25% do comprimento de reator abaixo do topo de reator e se estende para baixo até uma altura que é 45% do comprimento de reator abaixo do topo do reator.

[0014] As modalidades adicionais da invenção são direcionadas a processos biológicos de múltiplos estágios para converter C1 em um produto final desejado. Os processos compreendem (i) dividir um substrato que contém C1 gasoso, em paralelo, dentre múltiplos estágios de biorreator do processo de múltiplos estágios e (ii) alimentar sucessivamente com produtos líquidos que compreendem um microrganismo de fixação de C1, em série, a partir de um primeiro estágio de biorreator até os estágios de biorreator a montante. Em um estágio final, um produto líquido de estágio final é retirado de um estágio de biorreator final, em determinadas modalidades, o produto líquido de estágio final é retirado de uma fração líquida livre de biomassa (por exemplo, uma fração líquida que não contém o microrganismo/a biomassa de fixação de C1).

[0015] Em modalidades particulares, a invenção é direcionada a um processo biológico de múltiplos estágios para converter monóxido de carbono (CO) em etanol. O processo compreende (i) dividir um substrato que contém CO, em paralelo, dentre múltiplos estágios do processo de múltiplos estágios, (ii) alimentar sucessivamente com produtos líquidos que compreendem microrganismo carboxidotrófico, em série, a partir de um primeiro estágio de biorreator até os estágios de biorreator a montante. Um produto líquido de estágio final, retirado de um estágio de biorreator final, pode compreender pelo menos cerca de 50 gramas por litro (g/l) de etanol e ter uma razão em peso de etanol: ácido acético de pelo menos cerca de 50:1. Em determinadas modalidades, o produto líquido de estágio final é retirado de uma fração líquida livre de biomassa. Os processos particulares podem compreender pelo menos quatro estágios de biorreator. Tais processos representativos, associados a essa forma de operação de gás paralelo/de líquido em série, podem alcançar vantajosamente altos níveis de produtividade com formação mínima de subproduto. Em outras modalidades, a invenção é direcionada a um processo biológico de múltiplos estágios para converter monóxido de carbono em 2,3-butanediol, com produtividade de etanol reduzida. Em determinadas modalidades, o microrganismo carboxidotrófico é selecionado a partir do grupo que consiste em Clostridium autoethanogenum, Clostridium ragsdalei e Clostridium Ijungdahlii.

[0016] Em modalidades alternativas, a invenção é direcionada a um processo biológico de múltiplos estágios para converter monóxido de carbono (CO) em produtos finais dependentes de crescimento (por exemplo, isopropanol). O processo compreende (i) dividir um substrato que contém CO, em paralelo, dentre múltiplos estágios do processo de múltiplos estágios, (ii) alimentar sucessivamente com produtos líquidos que compreendem microrganismo carboxidotrófico, em série, a partir de um primeiro estágio de biorreator até os estágios de biorreator a montante. Um produto líquido de estágio final, retirado de um estágio de biorreator final, ou pelo menos uma fração líquida livre de biomassa do mesmo, pode compreender pelo menos cerca de 10 g/l de isopropanol. Em determinadas modalidades, o microrganismo carboxidotrófico utilizado no processo de produção de isopropanol é uma linhagem de Clostridium autoethanogenum recombinante que tem pelo menos uma enzima heteróloga em uma trajetória de biossíntese de isopropanol. O uso de um processo de múltiplos estágios da presente invenção fornece processo para produtividade aumentada de produtos finais dependentes de crescimento em comparação com sistemas de fermentação de dois reatores tradicionais. De acordo com uma modalidade da invenção, os produtos finais dependentes de crescimento são selecionados a partir do grupo que consiste em isopropanol, butanol, acetona, ácido 2-hidroxibutírico (2- HIBA) e isobutileno.

[0017] Em geral, conforme discutido em maiores detalhes abaixo, os processos biológicos de múltiplos estágios, conforme descrito no presente documento, podem aperfeiçoar a estabilidade de operações de bioconversão e fornecer maior flexibilidade para personalizar o desempenho (por exemplo, titulações de produto final e outro metabólito) alcançado em cada estágio para objetivos específicos. Mesmo em produtividades menores, em uma base de volume de reator, em relação a processos convencionais, os sistemas de construção e controle comparativamente mais simples podem compensar eficazmente isso de um ponto de vista econômico, através de reduções de custo de capital e/ou operacional que são alcançadas na escala comercial. Além disso, uma redução na produtividade, em uma base “por reator”, permite flexibilidade aperfeiçoada em termos de dimensões de biorreator, de forma que recipientes relativamente mais curtos e mais amplos possam ser empregados, os quais têm dimensões em maior concordância com aquelas de tanques de armazenamento disponíveis. Por exemplo, os biorreatores de um ou mais estágios (por exemplo, pelo menos um dentre o primeiro e o segundo estágios de biorreator, pelo menos quatro estágios de biorreator ou todos os estágios de biorreator) podem ter uma razão de comprimento para largura (por exemplo, diâmetro) menor que cerca de 15: 1 (por exemplo, de cerca de 2: 1 a cerca de 15: 1), tal como menos que cerca de 10: 1 (por exemplo, de cerca de 5: 1 a cerca de 10: 1). Uma permissão para produtividade reduzida, por sua vez, permite o uso de pressões menores em processos/sistemas conforme descrito no presente documento. Por exemplo, os biorreatores de um ou mais estágios (por exemplo, pelo menos um dentre o primeiro e o segundo estágios de biorreator, pelo menos quatro estágios de biorreator ou todos os estágios de biorreator) podem ser operados em uma pressão menor que cerca de 500 quilopascais (kPa) de pressão medida (isto é, acima da pressão atmosférica), tal como menos que cerca de 200 kPa de pressão medida ou até mesmo menor que cerca de 100 kPa de pressão medida. Os processos e sistemas de múltiplos estágios, conforme descrito no presente documento, também podem alcançar vantajosamente maior utilização de gás, em relação a tais processos convencionais, para um dado coeficiente de transferência de massa.

[0018] Em processos de múltiplos estágios, os estágios de biorreator descritos no presente documento, ou alguma porção dos mesmos, podem ser seções separadas dentro de um único recipiente. Por exemplo, tal recipiente (o qual pode ser um tanque padrão industrial que tem um volume de 50.000 a 3.000.000 litros), pode incluir estruturas internas que dividem os estágios de biorreator individuais e direcionam fluxos de vapor e líquido, conforme descrito no presente documento. Por exemplo, as estruturas internas podem ser configuradas para fluir gases e líquidos em paralelo e em série, respectivamente, através dos estágios. O uso de estágios de biorreator dentro de um recipiente pode facilitar determinadas modalidades operacionais descritas no presente documento, por exemplo, operação com um fluxo compartilhado de produtos gasosos, incluindo fonte de carbono C1 não convertida, que sai dos estágios de biorreator. De acordo com uma modalidade, os estágios de biorreator dentro de um recipiente podem ser orientados em uma relação empilhada, em que o primeiro estágio de biorreator é o mais alto em elevação e o estágio de biorreator final é o mais baixo em elevação, utilizando, desse modo, a gravidade para auxiliar na transferência de produtos líquidos através dos estágios. Os estágios de biorreator ligados totais, que podem incluir biorreatores, dentro de um único recipiente podem variar em número e, em modalidades exemplificativas, um recipiente pode incluir de cerca de 4 a cerca de 12 estágios de biorreator. As estruturas internas podem incluir tubulação associada e/ou outro equipamento descrito no presente documento com referência às Figuras 1 e 2 (por exemplo, entradas de gás e líquido e suas conexões, distribuidores de vapor e líquido, tubos ascendentes, tubos de descida, circuitos de reciclagem de líquido externos, entradas para meio de cultura de líquido e outros aditivos, etc.). Tais estruturas internas podem, portanto, fornecer comunicação fluida em geral entre os estágios para alcançar as configurações de fluxo desejadas, incluindo circulação interna induzida e/ou externa com o uso de circuitos de reciclagem, conforme descrito em maiores detalhes abaixo, criando, desse modo, condições hidrodinâmicas necessárias para alcançar alta transferência de massa e mistura nas taxas de fluxo gasoso designadas. Tais recipientes podem ser encaixados com circuitos de circulação de líquido adicionais, externos a todo o recipiente, por exemplo, para circulação de líquido entre estágios de biorreator que não são necessariamente adjacentes (isto é, imediatamente a montante ou a jusante uns dos outros). Em algumas modalidades, o número total de estágios de biorreator exigido para um dado processo de conversão biológica pode exceder o número de estágios dentro de um recipiente, de forma que o processo possa utilizar dois ou mais recipientes, em que um ou ambos contêm uma pluralidade (por exemplo, dois ou mais) de estágios de biorreator.

[0019] O uso de processos biológicos de múltiplos estágios, conforme descrito no presente documento, fornece maior controle sobre parâmetros de fermentação e controles de processo. Cada um dentre os estágios do processo de múltiplos estágios pode ser operado em condições de processo variantes para fornecer um resultado final desejado. Por exemplo, determinados estágios podem ser operados para promover o crescimento e outros estágios podem ser otimizados para produtividade. O uso de processos biológicos de múltiplos estágios pode resultar em titulações de produto melhores, mais especificidade para produtos finais desejados, consumo de gás aperfeiçoado e maior flexibilidade para substratos que contêm C1 de diversas composições.

[0020] Essas e outras modalidades, aspectos e vantagens em relação à presente invenção são evidentes a partir da Descrição Detalhada a seguir.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0021] Um entendimento mais completo das modalidades exemplificativas da presente invenção e das vantagens da mesma pode ser adquirido referindo-se à seguinte descrição em consideração das Figuras anexas, em que recursos semelhantes são identificados por números de referência semelhantes (por exemplo, biorreator 100a da Figura 1 e biorreator 100 da Figura 2).

[0022] A Figura 1 retrata um processo representativo que utiliza pelo menos dois biorreatores a montante e dois biorreatores a jusante, em que biorreatores de intervenção semelhantes são omitidos para simplicidade.

[0023] A Figura 2 retrata uma vista em primeiro plano de um biorreator representativo, conforme mostrado na Figura 1 e fornece detalhes adicionais que se relacionam a estruturas internas e circulação de líquido.

[0024] A Figura 3 é um gráfico que mostra concentrações de etanol e microrganismo carboxidotrófico, assim como os metabólitos de subproduto de ácido acético e 2,3-butanediol, ao longo de um período de operação de 40 dias ou mais, em amostras tomadas do produto líquido final de um processo biológico descrito no presente documento, que utiliza seis estágios de biorreator,

[0025] A Figura 4 é um gráfico de concentrações de etanol medidas e dos metabólitos de subproduto de ácido acético e 2,3-butanediol, em amostras tomadas de produtos líquidos a partir de cada um dentre os seis estágios de biorreator, no dia 23 do período de operação de 40 dias ou mais, para as quais as concentrações de produto líquido final são retratadas na Figura 3.

[0026] A Figura 5A é um gráfico que mostra o perfil de metabólito de uma fermentação de isopropanol.

[0027] A Figura 5B é um gráfico que mostra as taxas de produtividade de isopropanol.

[0028] As Figuras 1 a 5 devem ser entendidas por apresentar uma ilustração da revelação e/ou dos princípios envolvidos. A fim de facilitar a explicação e o entendimento, esquemas e equipamentos de fluxo de processo simplificados são retratados nas Figuras 1 e 2, e essas Figuras não estão necessariamente desenhadas em escala. Os detalhes que incluem válvulas, instrumentação e outros equipamentos e sistemas não essenciais para o entendimento da revelação não são mostrados. Conforme é prontamente evidente para uma pessoa versada na técnica que tem o conhecimento da presente revelação, os métodos para a conversão biológica de substratos que contêm C1, de acordo com outras modalidades da invenção, terão configurações e componentes determinados, em parte, por seu uso específico.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0029] A presente invenção se refere a processos para produzir um produto final desejado, alimentando-se fonte de carbono C1 em um substrato que contém C1 gasoso em paralelo a múltiplos estágios de biorreator que são usados, por sua vez, para processar os produtos líquidos desses estágios em série. Em operação, cada um dentre os biorreatores compreende um meio de cultura de líquido que contém um microrganismo de fixação de C1. Além do produto final desejado, os processos, conforme descrito no presente documento, geram adicionalmente metabólitos indesejados ou menos desejados. Os microrganismos de fixação de C1 representativos são aqueles do gênero Moorella, Clostridia, Ruminococcus, Acetobacterium, Eubacterium, Biityribacterium, Oxobacter, Methanosarcina, Methanosarcina e Desulfotomaculum. Exemplos particulares de microrganismos que são Clostridia incluem C. ijundahlii, C. autoetkanogenum, C. ragsdalei e C. beijerenckei.

[0030] Os substratos que contêm C1 representativos incluem amplamente qualquer gás que contem fonte de carbono C1, em que pelo menos uma fonte de carbono C1 selecionada a partir do grupo que consiste em CO, CO2 e CH4 pode ser tornada disponível para uma ou mais linhagens de microrganismos de fixação de C1 para crescimento e/ou fermentação. Tais substratos que contêm C1 não incluem, preferencialmente, contaminantes à medida em que tais contaminantes podem ter um efeito adverso sobre o crescimento do microrganismo de fixação de C1 (por exemplo, um ou mais contaminantes não estão presentes em concentrações ou quantidades de forma que a taxa de crescimento seja reduzida em mais de 10% sob um dado conjunto de condições, em comparação com a taxa de crescimento sob as mesmas condições, mas sem o contaminante (ou contaminantes)).

[0031] Os substratos que contêm C1 representativos, conforme descrito no presente documento, incluem amplamente qualquer fonte de carbono C1. Uma fonte de carbono C1 se refere a uma molécula de carbono que serve como uma fonte de carbono parcial ou única para os microrganismos da invenção. Por exemplo, uma fonte de carbono C1 pode compreender um ou mais dentre CO, CO2, CH4. Preferencialmente, a fonte de carbono C1 compreende um ou ambos dentre CO e CO2. O substrato pode compreender adicionalmente outros componentes não carbono, tais como H2, N2 ou elétrons.

[0032] O substrato que contém C1 pode conter uma proporção significativa de CO, preferencialmente pelo menos cerca de 5% a cerca de 99,5% CO em volume. Tais substratos são normalmente produzidos como produtos de refugo de processos industriais, tais como processos de fabricação de aço ou processo de fabricação de produto não ferroso. Outros processos em que substratos que contêm CO gasoso são gerados incluem processos de refinação de petróleo, processos de produção de biocombustível (por exemplo, processos de pirólise e processos de hidroconversão de ácido graxo/triglicerídeo), carvão e processos de gaseificação de biomassa, processos de produção de potência elétrica, processos de produção de negro- de-fumo, processos de produção de amônia, processos de produção de metanol e processos de fabricação de coque. Inúmeros efluentes industriais químicos, assim como gases de síntese (que contêm tanto CO quanto H2), produzidos a partir de uma variedade de substratos, podem servir, do mesmo modo, como substratos que contêm CO potencial. Exemplos específicos incluem efluentes da produção de fosfato e cromato. Vantajosamente, refugos (por exemplo, gases de refugo) a partir desses processos podem ser usados conforme descrito no presente documento para a produção benéfica de produtos finais úteis, tais como etanol

[0033] O substrato e/ou a fonte de carbono C1 pode ser derivado a partir de um gás de refugo ou de combustão obtido como um subproduto de um processo industrial ou a partir de alguma outra fonte, tal como a partir de fumaças de escape de automóveis ou gaseificação de biomassa. Em determinadas modalidades, o processo industrial é selecionado a partir do grupo que consiste em fabricação de produtos metálicos ferrosos, tal como uma fabricação de moinho de aço, fabricação de produtos não ferrosos, processos de refinação de petróleo, gaseificação de carvão, produção de potência elétrica, produção de negro-de-fumo, produção de amônia, produção de metanol e fabricação de coque. Nessas modalidades, o substrato e/ou a fonte de carbono C1 pode ser capturado a partir do processo industrial antes que o mesmo seja emitido para a atmosfera com o uso de qualquer método convencional.

[0034] O substrato e/ou a fonte de carbono C1 pode ser gás de síntese ou pode ser derivado do mesmo, tal como o gás de síntese obtido por gaseificação de carvão ou resíduos de refinaria, gaseificação de biomassa ou material lignocelulósico ou pela reforma de gás natural. Em outra modalidade, o gás de síntese pode ser obtido a partir da gaseificação de refugo sólido municipal ou refugo sólido industrial.

[0035] Em conexão com substratos e/ou fontes de carbono C1, o termo “derivado de” se refere a um substrato e/ou uma fonte de carbono C1 que é modificada ou mesclada de alguma forma. Por exemplo, o substrato e/ou a fonte de carbono C1 pode ser tratado para adicionar ou remover determinados componentes ou pode ser mesclado com correntes de outros substratos e/ou fontes de carbono C1.

[0036] A composição do substrato pode ter um impacto significativo sobre a eficiência e/ou o custo da reação. Por exemplo, a presença de oxigênio (O2) pode reduzir a eficiência de um processo de fermentação anaeróbica. Dependendo da composição do substrato, pode ser desejável tratar, esfoliar ou filtrar o substrato para remover quaisquer impurezas indesejadas, tais como toxinas, componentes indesejados ou partículas de poeira e/ou aumentar a concentração de componentes desejáveis.

[0037] O substrato compreende geralmente pelo menos alguma quantidade de CO, tal como cerca de 1, 2, 5. 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, ou 100% em mol de CO. O substrato pode compreender uma faixa de CO, tal como cerca de 20 a 80, 30 a 70, ou 40 a 60% em mol de CO. Preferencialmente, o substrato compreende cerca de 40 a 70% em mol de CO (por exemplo, aço moído ou gás de fornalha em jato), cerca de 20 a 30% em mol de CO (por exemplo, gás de fornalha de oxigênio básico) ou cerca de 15 a 45% em mol de CO (por exemplo, gás de síntese). Em algumas modalidades, o substrato pode compreender uma quantidade relativamente baixa de CO, tal como cerca de 1 a 10 ou 1 a 20% em mol de CO. O microrganismo da invenção converte, tipicamente, pelo menos uma porção do CO no substrato em um produto. Em algumas modalidades, o substrato compreende nenhum ou substancialmente nenhum CO.

[0038] O substrato pode compreender alguma quantidade de H2. Por exemplo, o substrato pode compreender cerca de 1, 2, 5, 10, 15, 20 ou 30% em mol de H2. Em algumas modalidades, o substrato pode compreender uma quantidade relativamente alta de H2, tal como cerca de 60, 70, 80 ou 90% em mol de H2. Em modalidades adicionais, o substrato compreende nenhum ou substancialmente nenhum H2.

[0039] O substrato pode compreender alguma quantidade de CO2. Por exemplo, o substrato pode compreender cerca de 1 a 80 ou 1 a 30% em mol de CO2. Em algumas modalidades, o substrato pode compreender menos que cerca de 20, 15, 10 ou 5% em mol de CO2. Em outra modalidade, o substrato compreende nenhum ou substancialmente nenhum CO2.

[0040] Embora o substrato seja tipicamente gasoso, o substrato também pode ser fornecido em formas alternativas. Por exemplo, o substrato pode ser dissolvido em um líquido saturado com um gás que contém CO com o uso de um gerador de dispersão de microbolhas. A título de exemplo adicional, o substrato pode ser adsorvido em um suporte sólido.

[0041] Um “microrganismo” é um organismo microscópico, especialmente uma bactéria, arquea, vírus ou fungo. O microrganismo da invenção é tipicamente uma bactéria. Conforme usado no presente documento, a citação de “microrganismo” deve ser considerada como abrangente de “bactéria”.

[0042] O microrganismo da invenção pode ser adicionalmente classificado com base em características funcionais. Por exemplo, o microrganismo da invenção pode ser um microrganismo de fixação de C1, um anaeróbio, um acetogênico, um etanologênico, um carboxidotrófico e/ou um metanotrófico. A Tabela 1 fornece uma lista representativa de microrganismos e identifica suas características funcionais. Tabela 1

1 Acetobacterium woodii pode produzir etanol a partir de frutose, mas não gás. 2 Foi relatado que Acetobacterium woodii pode crescer em CO, mas a metodologia é questionável. 3 Não foi investigado se Clostridium magnum pode crescer em CO. 4 Uma linhagem de Moorella thermoacetica, Moorella sp. HUC22-1, foi relata como produtora de etanol a partir de gás. 5 Não foi investigado se Sporomusa ovata pode crescer em CO. 6 Não foi investigado se Sporomusa silvacetica pode crescer em CO.

[0043] “C1” se refere a uma molécula de um carbono, por exemplo, CO, CO2, CH4 ou CH3OH. “Oxigenado de C1” se referre a uma molécula de um carbono que também compreende pelo menos um átomo de oxigênio, por exemplo, CO, CO2 ou CH3OH. “Fonte de carbono C1” se refere a uma molécula de um carbono que serve como uma fonte de carbono parcial ou única para o microrganismo da invenção. Por exemplo, uma fonte de carbono C1 pode compreender um ou mais dentre CO, CO2, CH4. Preferencialmente, a fonte de carbono C1 compreende um ou ambos dentre CO e CO2. Um “microrganismo de fixação de C1” é um microrganismo que tem a capacidade para produzir um ou mais produtos a partir de uma fonte de carbono C1. Tipicamente, o microrganismo da invenção é uma bactéria de fixação de C1. Em uma modalidade preferencial, o microrganismo da invenção é derivado de um microrganismo de fixação de C1 identificado na Tabela 1.

[0044] Um “anaeróbico” é um microrganismo que não exige oxigênio para crescimento. Um anaeróbico pode reagir negativamente ou até mesmo morrer se oxigênio estiver presente acima de um determinado limiar. Tipicamente, o microrganismo da invenção é um anaeróbico. Em uma modalidade preferencial, o microrganismo da invenção é derivado de um anaeróbico identificado na Tabela 1.

[0045] Um “acetogênico” é um microrganismo que produz ou tem capacidade para produzir acetato (ou ácido acético) como um produto de respiração anaeróbica. Tipicamente, os acetogênicos são obrigatoriamente bactérias anaeróbicas que usam a trajetória de Wood-Ljungdahl como seu mecanismo principal para conservação de energia e para síntese de CoA de acetila e produtos derivados de CoA de acetila, tal como acetato (Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784: 1.873 a 1.898, 2008). Os acetogênicos usam a trajetória de CoA de acetila como (1) um mecanismo para a síntese redutora de CoA de acetila a partir de CO2, (2) processo de conservação de energia de aceitação de elétron terminal, (3) mecanismo para a fixação (assimilação) de CO2 na síntese de carbono celular (Drake, Acetogenic Prokaryotes, In: The Prokaryotes, 3a edição, p. 354, Nova Iorque, NY, 2006). Todos acetogênicos de ocorrência natural são de fixação de C1, anaeróbicos, autotróficos e não metanotróficos. Tipicamente, o microrganismo da invenção é um acetogênico. Em uma modalidade preferencial, o microrganismo da invenção é derivado de um acetogênico identificado na Tabela 1.

[0046] Um “etanologênico” é um microrganismo que produz ou tem capacidade para produzir etanol. Tipicamente, o microrganismo da invenção é um etanologênico. Em uma modalidade preferencial, o microrganismo da invenção é derivado de um etanologênico identificado na Tabela 1.

[0047] Um “autotrófico” é um microrganismo que tem capacidade para crescer na ausência de carbono orgânico. Em vez disso, os autotróficos usam fontes de carbono inorgânico, tais como CO e/ou CO2. Tipicamente, o microrganismo da invenção é um autotrófico. Em uma modalidade preferencial, o microrganismo da invenção é derivado de um autotrófico identificado na Tabela 1.

[0048] Um “carboxidotrófico” é um microrganismo que tem capacidade para utilizar CO como uma única fonte de carbono. Tipicamente, o microrganismo da invenção é um carboxidotrófico. Em uma modalidade preferencial, o microrganismo da invenção é derivado de um carboxidotrófico identificado na Tabela 1.

[0049] Um “metanotrófico” é um microrganismo que tem capacidade para utilizar metano como uma única fonte de carbono e energia. Em determinadas modalidades, o microrganismo da invenção é derivado a partir de um metanotrófico.

[0050] Mais amplamente, o microrganismo da invenção pode ser derivado a partir de qualquer gênero ou espécie identificado na Tabela 1.

[0051] Em uma modalidade preferencial, o microrganismo da invenção é derivado a partir do agrupamento de Clostridia que compreende as espécies Clostridium autoethanogenum, Clostridium Ijungdahlii e Clostridium ragsdalei. Essas espécies foram primeiramente relatadas e distinguidas por Abrini, Arch Microbiol, 161: 345 a 351, 1994 (Clostridium autoethanogenum), Tanner, Int J System Bacterid, 43: 232 a 236, 1993 (Clostridium Ijungdahlii) e Huhnke, WO 2008/028055 (Clostridium ragsdalei).

[0052] Essas três espécies têm muitas semelhanças. Em particular, essas espécies são todas membros de fixação de C1, anaeróbicos, acetogênicos, etanologênicos e carboxidotróficos do gênero Clostridium. Essas espécies têm genótipos e fenótipos e modos de conservação de energia e metabolismo fermentativo semelhantes. Além disso, essas espécies são agrupadas no grupo I de homologia de rRNA clostrídica com DNA de 16S rRNA que é mais que 99% idêntico, têm um teor de G + C de DNA de cerca de 22 a 30% em mol, são positivas em gramas, têm morfologia e tamanho semelhantes (células de crescimento logarítmico entre 0,5 a 0,7 x 3 a 5 μm), são mesofílicas (crescem idealmente a 30 a 37 oC), têm faixas de pH semelhantes de cerca de 4 a 7,5 (com um pH ideal de cerca de 5,5 a 6), não têm citocromos e conservam energia por meio de um complexo de Rnf. Além disso, a redução de ácidos carboxílicos em seus álcoois correspondentes foi mostrada nessas espécies (Perez, Biotechnol Bioeng, 1 10: 1.066 a 1.077, 2012). De modo importante, essas espécies também mostram, todas, forte crescimento autotrófico em gases que contêm CO, produzem etanol e acetato (ou ácido acético) como produtos de fermentação principais e produzem pequenas quantidades de 2,3-butanediol e ácido lático sob determinadas condições.

[0053] Entretanto, essas três espécies também têm diversas diferenças. Essas espécies foram isoladas a partir de fontes diferentes: Clostridium autoethanogenum de tubo digestivo de coelho, Clostridium ljungdahlii de restos culturais de frango e Clostridium ragsdalei de sedimentos de água doce. Essas espécies são diferentes na utilização de diversos açúcares (por exemplo, ramnose, arabinose), ácidos (por exemplo, gluconato, citrato), aminoácidos (por exemplo, arginina, histidina) e outros substratos (por exemplo, betaína, butanol). Além disso, essas espécies são diferentes na auxotrofia para determinadas vitaminas (por exemplo, tiamina, biotina). Essas espécies têm diferenças em sequências de aminoácidos e ácidos nucleicos de genes e proteínas de trajetória de Wood-Ljungdahl, embora a organização e o número geral desses genes e proteínas tenham sido constatados como sendo os mesmos em todas as espécies (Kopke. Curr Opin Bioiechnol. 22: 320 a 325, 2011).

[0054] Dessa forma, em resumo, muitas das características de Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii ou Clostridium ragsdalei não são específicas àquelas espécies, mas são, em vez disso, características gerais para esse agrupamento de membros de fixação de C1, anaeróbicos, acetogênicos e carboxidotróficos do gênero Clostridium. Entretanto, uma vez que essas espécies são, na verdade, distintas, a modificação ou manipulação genética de uma dentre essas espécies pode não ter um efeito idêntico em outras dentre essas espécies. Por exemplo, as diferenças no crescimento, desempenho ou produção de produto podem ser observadas.

[0055] O microrganismo da invenção também pode ser derivado a partir de um isolado ou mutante de Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii ou Clostridium ragsdalei. Os isolados e mutantes de Clostridium autoethanogenum incluem JA1-1 (DSM10061) (Abrini, Arch Microbiol, 161: 345 a 351, 1994), LBS1560 (DSM19630) (Documento no WO 2009/064200) e LZ1561 (DSM23693). Os isolados e os mutantes de Clostridium ljungdahlii incluem ATCC 49587 (Tanner, Int J Syst Bacterid, 43: 232 a 236, 1993), PETCT (DSM13528, ATCC 55383), ERI-2 (ATCC 55380) (Documento no US 5.593.886), C-01 (ATCC 55988) (Documento no US 6.368.819), 0-52 (ATCC 55989) (Documento no US 6.368.819) e OTA-1 (Tirado-Acevedo, Production of bioethanol from synthesis gas using Clostridium ljungdahlii, PhD thesis, North Carolina State University, 2010). Os isolados e mutantes de Clostridium ragsdalei incluem PI 1 (ATCC BAA- 622, ATCC PTA-7826) (Documento no WO 2008/028055).

[0056] O microrganismo da invenção pode ser cultivado para produzir um ou mais produtos. Por exemplo, Clostridium autoethanogenum produz ou pode ser projetado para produzir etanol (Documento no WO 2007/117157), acetato (Documento no WO 2007/117157), butanol (Documentos nos WO 2008/115080 e WO 2012/053905), butirato (Documento no WO 2008/115080), 2,3-butanediol (Documento no WO 2009/151342), lactato (Documento no WO 201 1/112103), buteno (Documento no WO 2012/024522), butadieno (Documento no WO 2012/024522), metil etil cetona(2-butanona) (Documentos nos WO 2012/024522 e WO 2013/185123), etileno (Documento no WO 2012/026833), acetona (Documento no WO 2012/115527), isopropanol (Documento no WO 2012/115527), lipídios (Documento no WO 2013/036147), 3-hidroxipropionato (3-HP) (Documento no WO 2013/180581), isopreno (Documento no WO 2013/180584), ácidos graxos (Documento no WO 2013/191567), 2-butanol (Documento no WO 2013/185123), 1,2-propanodiol (Documento no WO 2014/0369152) e 1 - propanol (Documento no WO 2014/0369152). Além do um ou mais produtos alvo, o microrganismo da invenção também pode produzir etanol, acetato e/ou 2,3-butanodiol. Em determinadas modalidades, a própria biomassa microbiana pode ser considerada um produto

[0057] No contexto de um metabólito ácido que é ácido acético, os termos “ácido acético” ou “acetato” se referem ao acetato total presente no meio de cultura, em sua forma aniônica (dissociada) (isto é, como íon de íon de acetato ou CH3COO”) ou na forma de ácido acético molecular livre (CH3COOH), em que a razão dessas formas é dependente do pH do sistema. Conforme descrito abaixo, um agente de neutralização básico, tal como hidróxido de sódio aquoso (NaOH), pode ser usado para controlar o pH do meio de cultura em um dado biorreator (por exemplo, para um valor de ponto de definição de pH que pode ser qualquer valor de pH específico entre pH=4,5 e pH=8,0), neutralizando-se o ácido acético. As faixas de pH representativas em que os biorreatores são mantidos para executar os processos descritos no presente documento são de cerca de 4,0 a cerca de 8,0, tais como de cerca de 5,0 a cerca de 6,5.

[0058] “Produto líquido” conforme usado no presente documento se refere a uma corrente de líquido com a qual se alimenta pelo menos um estágio do processo de múltiplos estágios (por exemplo, um produto líquido de primeiro estágio com o qual se alimenta um segundo estágio). O produto líquido contém (i) meio de cultura que contém microrganismo de fixação de C1, (ii) produto final desejado e (iii) outros metabólitos. O produto líquido pode conter adicionalmente substrato que contém C1 dissolvido. O “produto líquido de estágio final”, conforme usado no presente documento, é um produto líquido retirado do estágio final de reator de um processo de múltiplos estágios. O produto líquido de estágio final é tipicamente retirado de uma fração líquida de porção livre de biomassa do estágio final.

[0059] “Produtos finais” ou “produtos finais desejados”, conforme usado no presente documento, se refere a metabólitos produzidos pelos microrganismos da invenção. Os microrganismos da invenção podem ser cultivados para produzir um ou mais produtos selecionados a partir do grupo que consiste em produzir etanol, acetato, butanol, butirato, 2,3-butanediol, lactato, butano, butadieno, metil etil cetona(2-butanona), etileno, acetona, isopropanol, lipídios, 3-hidroxipropionato (3-HP), isopreno, ácidos graxos, 2- butanol, 1,2-propanodiol e 1-propanol. “Produtos dependentes de crescimento”, conforme usado no presente documento, se referem a metabólitos que exibem uma taxa de produção que é diretamente proporcional à taxa de produção de biomassa. Exemplos de produtos dependentes de crescimento incluem, mas sem limitação, isopropanol, acetato, acetona, ácido 2-hidroxibutírico (2-HIBA) e isobutileno.

[0060] Um dos benefícios do processo de reator de múltiplos estágios é a capacidade para personalizar o processo de fermentação para pelo menos um produto final desejado. Será entendido que, dependendo dos parâmetros do processo fornecidos, um produto final desejado em um processo de fermentação pode ser um metabólito indesejado em um processo de fermentação diferente operado sob condições de processo diferentes. Por exemplo, em um processo de múltiplos estágios direcionado à produção de etanol, o etanol é um produto final desejado, entretanto, em um processo de múltiplos estágios direcionado à produção de isopropanol, o isopropanol é o produto final desejado e o etanol é um metabólito de subproduto.

[0061] Conforme descrito abaixo, um tipo específico de biorreator que é particularmente útil na prática da presente invenção é um reator de circuito circulado que depende de um gradiente de densidade entre uma seção de densidade relativamente baixa dentro de um tubo ascendente e uma seção de densidade relativamente alta dentro de um ou mais tubos de descida internos ou externos. As seções tanto de tubo ascendente quanto de tubo de descida incluem um meio de cultura de líquido em uma zona de fase líquida contínua, mas o substrato gasoso que contém CO é normalmente distribuído (por exemplo, borbulhado) no fundo da seção de tubo ascendente. Bolhas de gás que surgem são confinadas a essa seção durante seu movimento para cima através da zona de fase líquida contínua, até que qualquer gás não consumido e não dissolvido seja liberado em uma zona de fase gasosa contínua (isto é, espaço de vapor ou espaço livre) acima do nível de líquido. A circulação de líquido para baixo, através de um tubo de descida de líquido interno ou externo, pode ser induzida ou auxiliada por uma bomba de circuito. Em alguns casos, entretanto, uma bomba de circuito não é usada para pelo menos um dentre a pluralidade de biorreatores e, normalmente, uma bomba de circuito não é usada para a maior parte ou até mesmo para todos os biorreatores, dependendo, desse modo, da circulação induzida por densidade sozinha e conservando vantajosamente custos de energia.

[0062] O termo “biorreator”, assim como qualquer biorreator que pode ser incluído como parte de um “estágio de biorreator”, não é limitado a um reator de circuito circulado, mas, mais amplamente, inclui qualquer recipiente adequado, ou seção dentro de um recipiente, para manter um volume de líquido de um meio de cultura com microrganismo carboxidotrófico que pode ser usado para executar os processos biológicos descritos no presente documento, os quais também podem ser denominados como processos de fermentação à medida em que os mesmos são geralmente conduzido anaerobicamente. Tipos particulares de biorreatores podem incluir quaisquer recipientes adequados para contato de duas fases (gás e líquido), por exemplo, reatores de fluxo contracorrente (por exemplo, com uma fase de vapor de fluxo ascendente e fase líquida de fluxo descendente) ou reatores de fluxo de corrente paralela (por exemplo, com gases gasosa e líquida de fluxo ascendente), em tais recipientes de contato de duas fases, é possível que a fase líquida seja a fase contínua, como no caso de bolhas de gás que fluem através de uma coluna móvel de líquido. De outro modo, é possível que a fase de vapor seja a fase contínua, como no caso de um líquido disperso (por exemplo, na forma de gotículas) que flui através de um espaço de vapor. Em algumas modalidades descritas mais completamente abaixo, zonas diferentes de um biorreator podem ser usadas para conter uma fase líquida contínua e uma fase gasosa contínua.

[0063] Exemplos específicos de biorreatores incluem Reatores de Tanque Agitado Contínuos (CSTRs), Reatores Celulares Imobilizados (ICRs), Reatores de Leito de Gotejamento (TBRs), Reator de Biopelícula de Leito Móvel (MBBRs), Fermentadores de Elevação de Gás e Colunas de Bolhas e Reatores de Membrana, tais como Biorreatores de Membrana de Fibra Oca (HFMBRs). Os biorreatores adequados podem incluir misturadores estáticos ou outros recipientes e/ou dispositivos (por exemplo, disposições de torres ou tubulação) adequados para colocar o substrato que contém C1 gasoso em contato com o meio de cultura bacteriano líquido (por exemplo, com cinética de dissolução e transporte de massa favorável para executar a conversão biológica). As frases “pluralidade de biorreatores” ou biorreatores que podem ser incluídos em uma “pluralidade de estágios de biorreator” são destinadas a incluir biorreatores de mais de um único tipo, embora em alguns casos a pluralidade de biorreatores possa ser de um tipo (por exemplo, reatores de circuito circulado).

[0064] Algumas correntes de processo, parâmetros operacionais e equipamento adequados para uso nos processos biológicos descritos no presente documento são descritos na Publicação de Pedido de Patente no U.S. US2011/0212433, a qual está incorporada no presente documento a título de referência em sua totalidade.

[0065] A presente invenção é mais particularmente associada à constatação de processos biológicos para converter fontes de carbono C1 em produtos finais valiosos, envolvendo as configurações de processamento de líquido em série e gás em paralelo, conforme descrito no presente documento, com o uso de uma pluralidade de estágios de biorreator. Vantajosamente, um ou mais sistemas de membrana para separação e reciclagem de célula (microrganismo ou biomassa) em um dado estágio de biorreator podem ser evitados, enquanto se alcança produtividade geral alta (por exemplo, por dois ou mais biorreatores) do produto final desejado com formação de subproduto geral muito baixa.

[0066] Em exemplos particulares, a invenção é associada a processos para converter CO em etanol, com o uso de um processo de múltiplos estágios conforme descrito no presente documento. Em determinadas modalidades, o microrganismo de fixação de C1 é um microrganismo carboxidotrófico. Mais especificamente, o microrganismo carboxidotrófico é selecionado a partir do grupo que consiste em Clostridium autoethanogenum, Clostridium ragsdalei e Clostridium ljungdahlii. Em modalidades particulares, o microrganismo carboxidotrófico é Clostridium autoethanogenum, linhagem DSM23693. As concentrações de etanol representativas em um produto líquido de estágio intermediário ou um produto líquido de estágio final, retirado de um estágio de biorreator posicionado a jusante de outros estágios (por exemplo, o estágio de biorreator final) são, em geral, pelo menos cerca de 40 gramas por litro (gramas/litro ou g/l) (por exemplo, de cerca de 40 a cerca de 95 g/l), tipicamente pelo menos cerca de 50 g/l (por exemplo, de cerca de 50 a cerca de 80 g/l) e, normalmente, pelo menos cerca de 60 g/l (por exemplo, de cerca de 60 a cerca de 75 g/l). As razões em peso representativas de etanol: ácido acético em tal produto líquido de estágio intermediário ou produto líquido de estágio final são geralmente pelo menos cerca de 50: 1 (por exemplo, de cerca de 50: 1 a cerca de 1000: 1), tipicamente pelo menos cerca de 75: 1 (por exemplo, de cerca de 75: 1 a cerca de 500: 1) e normalmente pelo menos cerca de 100: 1 (por exemplo, de cerca de 100: 3 a cerca de 250: 1). Essas características do produto líquido podem se referir, mais particularmente, a um produto líquido retirado de um biorreator de estágio intermediário ou do biorreator de estágio final e após uma separação (por exemplo, filtração de membrana) para remover o microrganismo carboxidotrófico (células ou biomassa). Em geral, os métodos analíticos (por exemplo, cromatografia gasosa (GC) ou cromatografia líquida de alta pressão, HPLC) usados para determinar as concentrações de metabólito exigem amostras livres de células.

[0067] Além de alcançar alta produtividade de etanol geral com formação de subproduto geral mínima, os processos de múltiplos estágios, conforme descrito no presente documento, podem fornecer adicionalmente utilização de CO geral favorável. A utilização de CO geral se refere à porcentagem de CO que é inserido no processo de múltiplos estágios (por exemplo, a inserção de CO total nos biorreatores) e utilizado na conversão em produtos desejados) (por exemplo, etanol) e outros metabólitos do microrganismo. Se a composição combinada de todas as correntes de gás que saem do processo (isto é, os produtos gasosos) for conhecida ou puder ser calculada (por exemplo, com base nas taxas de fluxo e nas composições de corrente (ou correntes) de gás individual que sai de cada um dos biorreatores usados), então, a utilização de CO geral pode ser calculada como: 1 - (taxa de CO que sai do processo de múltiplos estágios)/(taxa de CO inserida no processo de múltiplos estágios)

[0068] A utilização de CO geral é determinada em uma base “por passe” ou “de passe único”, sem considerar o uso de reciclagem de produto gasoso (e gasto adicionado) que pode fornecer valores de utilização total maiores. De acordo com modalidades representativas, a utilização de CO pelo microrganismo carboxidotrófico é geralmente pelo menos cerca de 35% (por exemplo, de cerca de 35% a cerca de 85%), tipicamente pelo menos cerca de 50% (por exemplo, de cerca de 50% a cerca de 80%) e normalmente pelo menos cerca de 60% (por exemplo, de cerca de 60% a cerca de 75%). Em alguns casos, a utilização de CO pode ser pelo menos cerca de 70%.

[0069] De acordo com uma modalidade da invenção, os parâmetros de fermentação do processo de múltiplos estágios são ajustados para aumentar a produção de pelo menos um produto dependente de crescimento. Em uma modalidade, os parâmetros de fermentação do processo de múltiplos estágios são ajustados para aumentar a especificidade do processo para isopropanol. Em exemplos particulares, a invenção é associada a processos para converter CO em isopropanol, com o uso de um processo de múltiplos estágios conforme descrito no presente documento. Em determinadas modalidades, o microrganismo de fixação de C1 é uma linhagem de Clostridium autoethanogenum recombinante. Em determinadas modalidades, o microrganismo recombinante é adaptado para expressar ou superexpressar pelo menos uma enzima na trajetória de biossíntese de isopropanol.

[0070] As modalidades da presente invenção se referem a métodos para aumentar a produtividade de metabólitos que exibem uma taxa de produção que é diretamente proporcional à taxa de produção de biomassa (por exemplo, produtos dependentes de crescimento). Conforme demonstrado nas Figuras 5A e 5B, a taxa de produção de acetona e/ou isopropanol é ligada à fase de crescimento da fermentação. Conforme demonstrado nos gráficos, a Figura 5A mostra uma forte correlação entre concentrações de Acetato e Isopropanol em um processo de fermentação, em um CSTR. As concentrações tanto de Acetato quanto de isopropanol aumentam durante a fase de crescimento inicial da fermentação (dias 1 e 2). Conforme a fase de crescimento começa a nivelar, as concentrações tanto de acetato quanto de isopropanol caem. A Figura 5B mostra a relação entre a produtividade de isopropanol e a taxa de crescimento. É claramente demonstrado que o isopropanol alcança sua produtividade mais alta na taxa de crescimento mais alta.

[0071] Foi mostrado que a enzima CtfAB catalisa a formação de acetoacetato pela transferência da porção química de CoA de CoA de acetoacetila para acetato, o que leva à formação de acetoacetato e CoA de acetila. Essa atividade de enzimas é dependente da disponibilidade de acetato. Os valores de Km de CtfABs para acetato foram relatados como sendo qualquer um de 24 mM (1,4 g/l) a 1.200 mM (71 g/l). O valor de KM é a concentração de substrato em que a enzima funciona na metade de sua taxa máxima. Portanto, a fim de o CtfAB estar ativo para metade de sua taxa máxima, entre 1,4 a 71 g/l de acetato é exigido. Os inventores aproximam que pelo menos 14 g/l de acetato é exigido na célula para assegurar que o acetato não é o substrato de limitação em um processo de fermentação de isopropanol.

[0072] O processo de biorreator de múltiplos estágios, conforme fornecido pela presente invenção, fornece maior adaptabilidade do processo. Fazendo-se ajustes de parâmetros do processo para diversos estágios do processo de múltiplos estágios, o resultado desejado pode ser variado. Por exemplo, o processo de múltiplos estágios pode ser personalizado para ter maior especificidade de produto para produtos finais desejados (por exemplo, etanol ou 2,3-butanediol, ou produtos dependentes de crescimento, tais como isopropanol). Exemplos de parâmetros do processo que podem ser controlados ou ajustados por todo o processo de biorreator de múltiplos estágios incluem composição do substrato que contém C1, taxas de fluxo do substrato que contém C1, temperatura, pressão, taxas de diluição bacterianas e composição de meios de cultura líquidos.

[0073] Exemplos de manipulações adequadas incluem fornecer o substrato que contém C1 para estágios diferentes do processo de múltiplos estágios em taxas de fluxo variantes, fornecer substratos que contêm C1 que têm composição variante para estágios diferentes do processo de múltiplos estágios, fornecer meios de cultura líquidos que têm composição variante para estágios diferentes do processo de múltiplos estágios (por exemplo, fornecer um meio de cultura líquido que tem uma composição limitada a pelo menos estágios do processo de múltiplos estágios), alterar a temperatura entre estágios diferentes de um sistema de múltiplos estágios (por exemplo, diminuir a temperatura do primeiro estágio de reator e estágios de reator subsequentes), alterar a taxa de diluição bacteriana entre estágios do processo de reator de múltiplos estágios), alterar a taxa de mistura dentro de cada estágio do processo de múltiplos estágios (por exemplo, alterando-se a velocidade da bomba de dispositivos de distribuição de líquido ou modificando-se o projeto de reator interno ou as dimensões).

[0074] De modo importante, conforme descrito acima, os parâmetros de desempenho acima podem ser alcançados em processos de biorreator de múltiplos estágios em que não é necessário separar e reciclar o microrganismo carboxidotrófico que é retirado no produto líquido de um biorreator (a montante) e com o qual se alimenta outro biorreator (a jusante), conforme é praticado em processos de conversão biológica contínuos convencionais. Em geral, portanto, o produto líquido retirado de um estágio a montante de biorreator e com o qual se alimenta um dado estágio de biorreator pode compreender o microrganismo carboxidotrófico usado no estágio de biorreator a montante (anterior), uma vez que esse microrganismo não é separado de um ou mais, e preferencialmente de todos, produtos líquidos que são transferidos de um estágio para o próximo em série. Os produtos líquidos com os quais se alimenta um dado estágio de biorreator compreendem adicionalmente, em geral, um meio de cultura, o produto final desejado e outros metabólitos recebidos do estágio a montante (anterior).

[0075] Portanto, de acordo com as modalidades descritas no presente documento que evitam vantajosamente o uso de sistemas de separação e reciclagem celular convencionais (por exemplo, membrana), o produto líquido retirado de um estágio a montante de biorreator não é submetido à separação de microrganismo carboxidotrófico e reciclagem do microrganismo carboxidotrófico separado para o estágio a montante de biorreator do qual o mesmo foi retirado. Esse recurso caracterizante de processos e sistema descritos no presente documento, entretanto, não impede o uso de diversas etapas intermediárias, seguindo a retirada de produto líquido de um estágio a montante e antes de alimentar o mesmo a um dado estágio de biorreator, em que as etapas podem ou não afetar a composição do produto líquido. Tais etapas intermediárias incluem, por exemplo, (i) separar uma porção do produto líquido (por exemplo, para propósitos de amostra), opcionalmente em combinação com filtração da porção separada (por exemplo, conforme necessário para realizar um método analítico), (ii) misturar o produto líquido (por exemplo, com meio de cultura, nutrientes particulares ou aditivos de processo, tais como tensoativos) e/ou (iii) reagir o produto líquido (por exemplo, com agente neutralizante, tal como NH4OH ou NaOH, para aumentar o pH). Em algumas modalidades, entretanto, o produto líquido retirado de um dado estágio de biorreator pode ser com o que se alimenta um dado estágio de biorreator sem passar por (i), (ii) e/ou (iii), descritas acima, ou sem passar por alguma combinação dessas.

[0076] A Figura 1 retrata um processo de bioconversão de múltiplos estágios representativo, de acordo com uma modalidade particular da presente revelação, que compreende pelo menos quatro estágios de biorreator interconectados (10a, 10b,... 10y, 10z), em que a linha tracejada entre o segundo e o terceiro estágios (10a, 10y) é usada para indicar que um ou mais estágios intermediários adicionais podem ser incorporados em um dado sistema de múltiplos estágios de uma forma semelhante e com equipamento e conexões semelhantes. Conforme descrito mais completamente abaixo, pode se alimentar com o substrato que contém C1 gasoso, em paralelo, os estágios, enquanto pode se alimentar os produtos líquidos, os quais podem incluir biomassa, sucessivamente, de um primeiro estágio de biorreator (30a) até um estágio de biorreator final (10z), do qual um produto líquido de estágio final pode ser retirado, o qual tem as características representativas nesse produto líquido ou pelo menos em uma fração livre de biomassa do mesmo, conforme descrito acima.

[0077] De acordo com processos representativos, se alimenta com substrato que contém C1 gasoso os estágios de biorreator através de entradas de gás (12a, 12b, 12y, 12z) posicionadas próximas às extremidades de fundo de biorreatores que se estendem verticalmente (100a, 100b, 100y, 100z) de cada estágio de biorreator. Por exemplo, as entradas de gás podem se estender para seus respectivos biorreatores nos últimos 25% e, preferencialmente, nos últimos 10% do comprimento de seus respectivos biorreatores. As entradas de gás irão se estender, normalmente, para seus respectivos biorreatores, para dispositivos de distribuição de gás que podem ser dispostos centralmente dentro dos biorreatores em uma altura que corresponde, em geral, a essas porcentagens de comprimento de reator. Os dispositivos de distribuição de gás particulares incluem borbulhadores (14a, 14b, 14y, 14z), com os quais as entradas de gás podem estar em comunicação fluida, dentro de um ou mais dentre os biorreatores, próximos a suas respectivas primeiras extremidades. Os produtos gasosos, incluindo a fonte de carbono C1 não convertida e quaisquer impurezas gasosas do substrato que contém C1 (por exemplo, H2), que não são utilizados na reação de bioconversão, são retirados de cada biorreator e saem através de saídas de gás (16a, 16b, 16y, 16z) posicionadas próximas às extremidades de topo dos biorreatores, opostas às extremidades de fundo. As saídas de gás podem se estender para seus respectivos biorreatores nos primeiros 25% e, preferencialmente, nos primeiros 10% do comprimento de seus respectivos biorreatores ou os produtos gasosos podem ser retirados de outro modo dos topos de seus respectivos biorreatores, sem as saídas de gás se estenderem para seus respectivos biorreatores.

[0078] Os biorreatores intermediários (100b, 100y) incluem, cada um, entradas de líquido (18b, 18y) e saídas de líquido (20b, 20y) que podem receber o produto líquido retirado do biorreator a montante imediatamente adjacente e conduzem o produto líquido para o imediatamente biorreator a jusante imediatamente adjacente. Por exemplo, o biorreator 100b do segundo estágio tem a entrada de líquido 18b para receber o produto líquido retirado do biorreator 100a do primeiro estágio (por exemplo, através de sua saída de líquido 20a) e a saída de líquido 20b para conduzir o produto líquido para um biorreator (não mostrado) de um terceiro estágio (por exemplo, através de sua entrada de líquido, não mostrada). O biorreator 100a (isto é, o biorreator do primeiro estágio 10a) não tem um biorreator a montante e, portanto, não tem uma entrada de líquido que é especificamente para receber o produto líquido de um biorreator a montante adjacente. O biorreator 100z (isto é, o biorreator do estágio final 10z) não tem um biorreator a jusante e, portanto, não tem uma saída de líquido especificamente para conduzir o produto líquido para um biorreator a jusante adjacente. Entretanto, o biorreator final 100z inclui a saída de produto líquido 50 para retirar um produto líquido de estágio final, por exemplo, que tem as características representativas em termos de sua composição, conforme descrito acima. A transferência de produto líquido (ou “caldo”) para/de estágios sucessivos por meio de entradas e saídas (20a...20y e 18a... 18z) pode ocorrer através de canos abertos de furo pequeno (por exemplo, que têm diâmetros internos de cerca de 1 mm a cerca de 12 mm) em comunicação fluida com essas entradas e saídas.

[0079] Como no caso de saídas de líquido (20b, 20y) de biorreatores de estágios intermediários, a saída de produto líquido 50 do biorreator 100z do estágio final é posicionada próxima à extremidade de fundo do biorreator. Após sua retirada do biorreator 100z, o produto líquido de estágio final que é retirado na saída de produto líquido 50 pode ser passado para, e opcionalmente se estender acima, a altura H, que corresponde ao nível de líquido não gaseificado de trabalho (isto é, nível de líquido que existe sem retenção de gás). Isto é, a elevação mais alta E para a qual o produto líquido de estágio final se estende pode ser na altura H ou acima da mesma. A altura H pode ser ajustável e pode corresponder substancialmente à altura H do disjuntor de sifão 75 ou outro tipo de ponto de impulsão de líquido. Na modalidade da Figura 1, portanto, a saída de produto líquido 50 está em comunicação fluida com o disjuntor de sifão 75 que é ajustável em altura, em relação aos biorreatores (100a, 100b... 100y, 100z) do processo de múltiplos estágios. A elevação E e a altura H podem ser reguladas para governar o nível de líquido ou o espaço livre hidráulico de biorreator 100z do estágio final e, preferencialmente, de outros biorreatores, à medida em que as mesmas podem ser hidraulicamente ligadas, sem perturbação de uma condição cheia de líquido (ou fase líquida contínua) nas entradas e saídas de líquido (20a...20y e 18a... 18z) que transferem o produto líquido em série de um estágio para o próximo. A elevação E e/ou a altura H pode, portanto, governar o nível de líquido em um ou mais biorreatores e, preferencialmente, em todos (100a... 100z) e, em particular, pode governar os níveis de interfaces de gás/líquido (22a...22z) em seus respectivos biorreatores.

[0080] Na modalidade específica retratada na Figura 1, as entradas de líquido (18b, 18y) e as saídas de líquido (20b, 20y) são preferencialmente posicionadas em uma seção inerte abaixo das respectivas entradas de gás (12b, 12y) e borbulhadores (14b, 14y), para permitir que se alimenta com líquido, e que se retire o mesmo, essa seção ou o local de reator de um dado estágio de biorreator. Também é possível, entretanto, que as entradas e saídas sejam posicionadas em algum outro lugar ao longo do comprimento de seus respectivos biorreatores, dependendo dos locais desejados para a alimentação e retirada de produtos líquidos. Em uma modalidade alternativa, por exemplo, as saídas de líquido podem ser posicionadas nos níveis, ou próximas aos mesmos, de interfaces de gás/líquido (22a, 22b, 22y, 22/) ou podem, de outro modo, perturbar o efeito de sifão ou a condição cheia de líquido entre os estágios de biorreator, a fim de permitir controle de nível de líquido independente em um ou mais biorreatores.

[0081] Também mostrado na Figura 1, um ou mais, por exemplo todos, biorreatores (100a, 100b... 100y, 100z) podem incluir circuitos de reciclagem de líquido externos (25a, 25b...25y, 25z) (isto é, externos a seus respectivos biorreatores) para aperfeiçoar a mistura/uniformidade dentro de um dado biorreator e/ou aperfeiçoar a taxa de transferência de massa de vapor e líquido. Com o uso de circuitos de reciclagem de líquido externos (25a, 25 b ...25y, 25z), o produto líquido, incluindo o meio de cultura e o microrganismo de fixação de C1, pode ser retirado de uma seção de fundo de um dado biorreator (por exemplo, de dentro dos últimos 10% do comprimento do biorreator; de baixo dos dispositivos de distribuição de gás, tais como borbulhadores (14a, 14b, 14y ou 14z); e/ou de baixo das entradas de líquido ou saídas de líquido) e reciclado externamente ao biorreator, para uma seção de topo do biorreator (por exemplo, dentro dos primeiros 10% do biorreator e/ou acima das interfaces de gás/líquido (22a, 22b, 22y, ou 22z) que demarcam limites entre uma zona de fase gasosa contínua e uma zona de fase líquida contínua). Os circuitos de reciclagem de líquido de reator externos podem incluir respectivas bombas de reciclagem de líquido externas (30a, 30b, 30y, 30z) para fornecer a circulação de líquido externa em uma taxa desejada, por exemplo, em uma troca ideal entre aperfeiçoamento de uso de energia e taxa de transferência de massa.

[0082] De modo conveniente, os circuitos de reciclagem de líquido externos (25a, 25b...25y, 25z) podem fornecer locais de amostragem/análise de líquido de biorreator e também podem ser configurados para controle de biorreator. Por exemplo, os biorreatores 100a e 100b do primeiro e do segundo estágios incluem respectivos circuitos de reciclagem de líquido externos 25a e 25b, aos quais um agente de neutralização básico (por exemplo, uma base aquosa, tal como NH4OH ou NaOH) pode ser adicionado através de entradas de agente de neutralização básico 35a e 35b. A adição de um agente de neutralização básico ao dado biorreator (ou biorreatores), por exemplo, biorreatores 100a, 100b, pode ser separadamente controlada com o uso de circuitos de controle de retroalimentação adequados, incluindo, por exemplo, analisadores de pH 40a, 40b que medem (por exemplo, contínua ou intermitentemente) o valor de pH do líquido de biorreator dentro dos circuitos de reciclagem de líquido externos 25a e 25b. Tais circuitos de controle também incluem o requisito hardware (por exemplo, válvulas de controle ou bombas de alimentação de taxa variável, não mostradas) e software (por exemplo, programas de computador) para comparar o valor de pH medido com um valor de definição para um dado biorreator e, então, controlar o fluxo de agente de neutralização básico para alcançar ou manter a definição. Portanto, os circuitos de reciclagem externos de um ou mais (por exemplo, todos) os biorreatores podem estar em comunicação fluida com respectivas uma ou mais (por exemplo, todas) entradas de neutralização básica e compreendem instrumentação para controlar independentemente o pH dentro do um ou mais (por exemplo, todos) respectivos biorreatores.

[0083] Além disso, os circuitos de reciclagem de líquido externos (25a, 25b... 25y, 25z) de um ou mais biorreatores (100a, 100b... 100y, 100z) podem incluir transmissores de temperatura (41a, 41b, 41y, 41z) que medem (por exemplo, contínua ou intermitentemente) as temperaturas do líquido dentro dos circuitos de reciclagem de líquido externos 25a e 25b dos respectivos biorreatores (100a, 100b... 100y, 100z), tais como as temperaturas que são representativas de temperaturas operacionais dos biorreatores. O controle de temperatura de biorreator separado pode, portanto, ser alcançado com o uso de circuitos de controle que incluem, além dos transmissores de temperatura (41a, 41b, 41y, 41z), aquecedores ou trocadores de calor (42a, 42b, 42y, 42z) e software de requisito (por exemplo, programas de computador) para comparar a temperatura medida com uma temperatura de definição para um dado biorreator e, então, controlar a operação de aquecedores ou trocadores de calor (42a, 42b...42y, 42z) para alcançar ou manter a definição. Tipos específicos de trocadores de calor incluem aqueles que têm construções de camisa de ranhura e tubo em tubo. Adicionalmente, os circuitos de reciclagem de líquido externos (25a, 25b...25y, 25z) de um ou mais biorreatores (por exemplo, biorreatores 100a e 100b do primeiro e do segundo estágios conforme retratado na Figura 1) podem incluir entradas de meio de cultura de líquido 45a e 45b ou entradas para introduzir outros diluentes líquidos, reagentes (por exemplo, tensoativos) e/ou nutrientes, nos um ou mais biorreatores independentemente nas mesmas taxas ou em taxas variantes. Portanto, os circuitos de reciclagem externos de um ou mais (por exemplo, todos) dentre os biorreatores podem estar em comunicação fluida com respectivos um ou mais aquecedores ou trocadores de calor e compreendem instrumentação para controlar independentemente temperaturas dentro do um ou mais respectivos biorreatores.

[0084] Dois ou mais dentre os estágios de biorreator (por exemplo, o primeiro e o segundo estágios de biorreator 10a, 10b) podem, portanto, ter variáveis operacionais de processo independentemente controláveis, incluindo aquelas que exigem amostragem/análise de produto líquido de biorreator nos circuitos de reciclagem de líquido externos, conforme descrito acima. As variáveis operacionais de processo representativas incluem taxa de adição de meio de cultura líquido, taxa de alimentação de substrato que contém CO gasoso, temperatura de reator, pH de reator e combinações dos mesmos. Uma vantagem importante de processos de múltiplos estágios, conforme descrito no presente documento, surge da capacidade para controlar independentemente o crescimento do microrganismo de fixação de C1, conforme o mesmo é transferido para estágios sucessivos de biorreator. O gerenciamento do crescimento bacteriano, assim como a produção do produto final e de outros metabólitos, pode ser realizado personalizando-se as condições de um dado estágio de biorreator (por exemplo, as variáveis operacionais de processo descritas acima) para um dado objetivo de processamento. Por exemplo, de acordo com uma modalidade, uma taxa relativamente alta do meio de cultura de líquido é adicionada ao biorreator do primeiro estágio para promover uma alta taxa de crescimento bacteriano e também definir uma cultura homogênea estável para o restante do sistema de biorreator de múltiplos estágios. Taxas comparativamente menores do meio de cultura de líquido podem ser adicionadas a biorreatores a jusante, os quais têm mais culturas celulares estabelecidas, adequadas para alcançar altas taxas de produção do produto final. Dessa forma, o crescimento bacteriano pode ser vantajosamente separado ou desacoplado da geração de produto. Em geral, pode ser observado mais geralmente que os sistemas descritos no presente documento oferecem um alto número de graus de liberdade, em termos de controlar o metabolismo do microrganismo de fixação de C1 conforme o mesmo progride através de fases diferentes de crescimento em cada reator sucessivo. Esses recursos de controle permitem que os processos de conversão biológica de múltiplos estágios sejam operados com um produto líquido de estágio final que tem as características conforme descrito acima.

[0085] Da mesma forma, os níveis de líquido, ou as alturas de interfaces de gás/líquido (22a, 22b...22y, 22z), podem ser independentemente controlados em um ou mais biorreatores (100a, 100b... 100y, 100z), através do uso de equipamento e instrumentação de nível de líquido separados (por exemplo, válvulas de controle, sensores de nível e transmissores). Entretanto, também é possível evitar, vantajosamente, o gasto e a complexidade adicionais de implantar tal equipamento e instrumentação, executando-se os processos de múltiplos estágios de forma que o nível de líquido em pelo menos um biorreator seja dependente do nível de líquido em seu respectivo biorreator a jusante, por exemplo, tendo-se um único controle de nível que controla os níveis de líquido em todos os biorreatores do sistema. De acordo com um modo em particular de operação do sistema de biorreatores (100a, 100b... 100y, 100z) da Figura. 1, o meio de cultura de líquido é adicionado ao biorreator 100a do primeiro estágio através da entrada 45a e flui através de todos os reatores por transbordamento ou conforme governado, de outro modo, pelo espaço livre hidrostático, por exemplo, o qual pode ser controlado variando-se a elevação mais alta E para a qual o produto líquido de estágio final se dirige ou se estende.

[0086] De acordo com um procedimento possível para iniciar o processo, o biorreator 100a do primeiro estágio pode ser inoculado ou carregado com microrganismo de fixação de C1 inicialmente, o qual, após um período de crescimento em batelada em cultura, alcança uma concentração suficientemente alta, de forma que a adição contínua do meio de cultura de líquido possa ser iniciada. O produto líquido de primeiro estágio é, então, conduzido para estágios sucessivos, por exemplo, por transbordamento do primeiro estágio para o segundo estágio, seguido por transbordamento do segundo estágio para o terceiro estágio, etc. O nível de líquido do sistema pode ser, finalmente, determinado pelo nível em que o produto líquido de estágio final é retirado (também denominado como o nível do ”sangramento” do estágio de biorreator final). O substrato que contém C1 gasoso é adicionado a cada reator separadamente, embora um espaço livre compartilhado, no qual os vapores que saem das zonas de fase líquida contínua são combinados (por exemplo, no caso de mais de um estágio de biorreator ser disposto dentro de um único recipiente, tal como em uma disposição empilhada) é possível e, de acordo com algumas modalidades, pode reduzir a formação de espuma. O produto final desejado da fermentação, assim como outros metabólitos, é recuperado do produto líquido de estágio final, retirado do estágio de biorreator final. O produto líquido de estágio final pode ser separado (por exemplo, por filtração de membrana) para remover o produto final e metabólitos e, então, o microrganismo de fixação de C1 e possivelmente outros sólidos, antes dessa recuperação. Parte o todo o permeado de líquido que é recuperado dessa separação (ou meio básico) pode ser reciclado para uso em um estágio de biorreator, por exemplo, o mesmo pode ser adicionado ao primeiro estágio biorreator, após, opcionalmente, a adição de nutrientes.

[0087] A Figura 2 retrata um tipo possível de biorreator 100, a saber, um biorreator de circuito circulado, o qual pode ser incorporado em um estágio de biorreator 10 de um processo de múltiplos estágios, incluindo o processo retratado na Figura 1. Muitos dos mesmos recursos são conforme mostrado na Figura 1 (e identificados com os mesmos números de referência), com a exceção de algumas das estruturas internas de reator que podem ser usadas especificamente para promover características de fluxo de vapor e líquido desejadas, circulação e distribuição/transferência de massa entre as fases. Conforme mostrado mais claramente na Figura 2, o biorreator 100 opera com duas zonas que são distinguíveis por suas fases contínuas e dispersas. A zona de fase de vapor contínua A tem uma fase de líquido disperso, devido ao produto líquido que entra nessa zona (também denominada como o espaço livre) através de um ou mais dispositivos de distribuição de líquido, tais como o regador 110 que tem uma pluralidade de aberturas para dispersar para baixo produto líquido de fluxo (por exemplo, em um perfil de cone que se expande para baixo), alimentado a partir do circuito de reciclagem de líquido externo 25.

[0088] A zona de fase líquida contínua B tem uma fase gasosa dispersa, devido ao substrato que contém C1 que entra nessa zona através de um ou mais dispositivos de distribuição de gás, tais como o borbulhador 14, que têm uma pluralidade de aberturas para dispersar para cima substrato que contém C1 de fluxo, alimentado a partir da entrada de gás 12. A interface de gás/líquido 22 demarca o limite entre a zona de fase gasosa contínua A e a zona de fase líquida contínua B. A zona de fase líquida contínua B pode ocupar uma maior parte do volume de biorreator 100 e, por exemplo, a mesma pode ser disposta completamente dentro dos últimos 90%, dos últimos 80% ou dos últimos 75% do comprimento de reator. Consequentemente, a interface de gás/líquido 22 pode estar localizada dentro dos primeiros 25%, dos primeiros 20% ou dos primeiros 10% do comprimento de reator. Em alguns casos, uma camada de espuma (não mostrada) pode estar acima da interface de gás/líquido e, para os propósitos desta revelação, estar na zona de fase gasosa contínua A.

[0089] Portanto, de acordo com a modalidade específica da Figura 2, o produto líquido (ou “caldo”) reciclado através do circuito de reciclagem de líquido externo 25 é introduzido na zona de fase de vapor contínua A. Esse produto líquido pode ser passado da seção de fundo do biorreator, da qual o produto líquido é retirado conforme descrito acima, para uma seção de topo do biorreator (por exemplo, para dentro dos primeiros 10% do comprimento of biorreator 100 e acima do dispositivo (ou dispositivos) de distribuição de líquido, tal como o regador 110, através do qual o produto líquido é introduzido). Conforme discutido acima em relação à Figura 1, o circuito de reciclagem de líquido externo 25, além de aperfeiçoar a circulação de líquido e a transferência de massa entre as fases líquida e de vapor, pode ser configurado para realizar funções de controle de processo. Por exemplo, o produto líquido, reciclado através do circuito de reciclagem externo 25, pode ser passado através do trocador de calor externo 42 (por exemplo, antes de ser introduzido na zona de fase de vapor contínua A) para controle da temperatura de biorreator 100. De outro modo, um agente de neutralização básico pode ser adicionado a esse produto líquido, por exemplo, através da entrada de agente de neutralização básico 35, para controlar o pH do biorreator 100. No caso de uma pluralidade de biorreatores, conforme mostrado na Figura 1, os circuitos de reciclagem externos de um ou mais (por exemplo, todos) dentre os biorreatores podem ser usados para reciclar o produto líquido, retirado próximo a uma ou mais respectivas primeiras extremidades dos biorreatores, para distribuidores de líquido em uma ou mais respectivas zonas de fase de vapor contínuas próximas a uma ou mais respectivas segundas extremidades (dispostas de modo oposto às primeiras extremidades).

[0090] Pode se alimentar com o substrato que contém C1, introduzido através do borbulhador 14, um tubo ascendente 120 que é disposto dentro da zona de fase líquida contínua B, por exemplo, concentricamente em relação ao biorreator 100 e confina bolhas de gás de surgimento em uma região central dessa zona Após sair do tipo do tubo ascendente 120, o gás restante, não dissolvido ou utilizado na zona de fase líquida contínua B, continua a fluir para cima e se torna desengatado dessa zona na interface de gás/líquido 22. Devido à retenção de gás no tubo ascendente 120, a densidade geral dentro do tubo ascendente 120 é menor que a densidade no tubo de descida 130, do qual as bolhas de gás são substancialmente desengatadas. Conforme mostrado na Figura 2, o tubo de descida 130 pode ser disposto de modo anular me relação ao tubo ascendente 120, embora outras configurações sejam possíveis para fornecer regiões dentro da zona de fase líquida contínua B de densidade diferente. Por exemplo, uma pluralidade de tubos de descida que se estendem verticalmente pode ser distribuída por toda essa zona, a qual se estende dos últimos 1% a 10% do comprimento de reator até os primeiros 25% a 45% do comprimento de reator. Conforme também mostrado com o uso de setas nessa zona para indicar a direção de fluxo do líquido a granel, o biorreator 100 opera com a circulação líquida interna na zona de fase líquida contínua B. a qual é, a saber, induzida pelas diferenças na densidade e resulta em fluxo de líquido para cima no tubo ascendente 120 e fluxo de líquido para baixo no tubo de descida 130, em que ambos são internos ao biorreator 100. De acordo com algumas modalidades, mais de um tubo ascendente e/ou mais de um tubo de descida podem ser usados para controle da circulação de líquido.

[0091] O gás que se torna desengatado na interface de gás/líquido 22 continua a fluir para cima (a granel) através da zona de fase de vapor contínua A, em que o mesmo é colocado em contato com o produto líquido introduzido nessa zona através do regador 110 ou outro dispositivo de distribuição de líquido, dessa forma, o biorreator 100 opera com gás contracorrente e fluxos de líquido (gás de fluxo ascendente e líquido de fluxo descendente) nessa zona, a qual é disposta acima da zona de fase líquida contínua B, que opera com circulação líquida interna conforme descrito acima. Ambas essas zonas podem compreender dispositivos de contato de vapor e líquido. Devido às diferenças em como a transferência de massa entre fases é efetuada nessas zonas, os dispositivos de contato de vapor e líquido 125 A na zona A podem ser diferentes dos dispositivos de contato de vapor e líquido 125B na zone B, por exemplo, em relação a sua geometria (por exemplo, diâmetro e/ou espessura) e/ou à configuração de suas aberturas (por exemplo, em termos de tamanho, formato, espaçamento e/ou número total). De acordo com algumas modalidades, tipos completamente diferentes de dispositivos de contato de vapor e líquido (por exemplo, placas perfuradas e materiais de empacotamento aleatórios, tais como anéis de Raschig) podem ser usados nas zonas diferentes. Do mesmo modo, os dispositivos de contato de vapor e líquido que são diferentes, ou que são de tipos completamente diferentes, podem ser usados dentro de uma única zona.

[0092] Conforme pode ser observado pelas pessoas versadas na técnica, considerando o presente relatório descritivo, os processos e sistemas de múltiplos estágios descritos no presente documento são associados a diversas vantagens operacionais, incluindo qualquer um, qualquer combinação ou todos os seguintes, (1) fermentação robusta (bioconversão anaeróbica) com complexidade reduzida: Em relação a processos convencionais, processos de múltiplos estágios conforme descrito no presente documento são mais simples de operar e têm um “envelope operacional” significativamente maior ou uma faixa de condições sob as quais a operação é viável. Isso resulta de exigências de produtividade relativamente baixas para cada biorreator individual e a alimentação contínua que todos os reatores (diferentes do biorreator do primeiro estágio) recebem a partir do reator imediatamente a montante, o que estabiliza a fermentação. Isso trata vantajosamente de um dos objetivos principais nesta técnica, a saber, robustez operacional em escala, conforme necessário para operação comercial estável a longo prazo. (2) um número significativo de graus de liberdade: Isso permite maior controle de um metabolismo de cultura bacteriana conforme o mesmo progride através das fases diferentes de crescimento em cada biorreator. As condições em cada estágio (por exemplo, taxa de suprimento de gás, temperatura e/ou definição de pH) podem ser personalizadas para controlar saídas de fermentação, tais como razões de metabólito. Isso pode resultar em titulações de produto final altas e estáveis. Por exemplo, os inventores demonstraram titulações de etanol altas e estáveis (>60 gramas/litro em testes laboratoriais contínuos), razões em peso de etanol: acetato de produto líquido final muito favoráveis e estáveis (100+ em testes laboratoriais contínuos). Consequentemente, uma economia de custo potencialmente muito grande pode ser realizada, em relação ao uso de meios de cultura e sistemas de reciclagem de água, em que o subproduto de acetato é um impedimento principal para reciclagem direta. (3) uma capacidade para separar o crescimento da geração de produto: Esse é um benefício significativo para a produção de produtos finais biológicos a partir de células geneticamente projetadas, em processos em que um indutor pode ser adicionado em estágios posteriores, após o crescimento. Os benefícios resultam da possibilidade de ter uma alta taxa de crescimento no primeiro estágio de biorreator, com o uso de uma taxa de diluição alta (isto é, taxa de adição de meio de cultura de líquido), a qual define uma cultura homogênea estável para o restante do sistema. (4) uma grande economia em custo de capital, sem a exigência de um sistema de reciclagem celular: Em relação a isso, membranas, alojamentos, válvulas e instrumentos e controles associados representam uma porção significativa do custo total dos biorreatores, especialmente em escala comercial. As exigências de reciclagem celular bacteriana (por exemplo, a grandeza de bomba de reciclagem) também são significativamente reduzidas e podem exigir apenas a energia modesta necessária para operar circuitos de reciclagem externos (por exemplo, através de um regador ou outro distribuidor de líquido conforme descrito acima). (5) operação simplificada e mais robusta, com custo reduzido: Isso acontece devido ao fato de que a separação e a reciclagem de membrana das células separadas não são exigidas em cada estágio de biorreator. Os custos associados à alteração de membranas e à limpeza manual no local (CIP) são significativos, em termos de tempo de operador, produtos químicos de CIP e aquecimento. Em relação a isso, opções de CIP automáticas têm custo de capital proibitivamente alto, soluções de enzima para limpar as membranas de reciclagem celular têm, do mesmo modo, alto custo e os procedimentos de limpeza com NaOH simples são, normalmente, ineficazes, (6) Projetos de reator de circuito de volume maior, mais curtos e de elevação aérea mais robusta: Tais projetos podem ser prontamente realizados por tanques de volume padrão industrial existentes, encaixados com estruturas internas. Isso resulta das exigências de produtividade menores para os biorreatores e permite a possibilidade de economias de custo substanciais na fabricação do biorreator. De acordo com algumas modalidades, os processos e os sistemas, conforme descrito no presente documento, podem operar eficientemente em um efeito de circulação de elevação aérea sozinho, sem o uso de uma reciclagem externa ou uma bomba de circuito e, consequentemente, também abdicando da tubulação e do equipamento de reciclagem externa associados. Reduções adicionais nos gastos de capital em válvulas e tubulação de controle são possíveis, nas modalidades que usam controle simples de transbordamento/nível de espaço livre de líquido entre cada estágio. (7) O uso de pressões operacionais baixas: Esse é um benefício adicional de exigências de produtividade menores, para os biorreatores individuais. Nesse ponto, a alta retenção de gás limita o fluxo de gás a um biorreator, a menos que o gás seja pressurizado. A capacidade para reduzir a pressão operacional tem o efeito de reduzir custos de compressão.

[0093] Os seguintes exemplos são apresentados como representativos da presente invenção. Esses exemplos não devem ser interpretados como limitantes do escopo da invenção, uma vez que essas e outras modalidades equivalentes serão evidentes em vista da presente revelação e das reivindicações anexas.

EXEMPLO 1 Definição Experimental

[0094] Uma sonda de teste que tem biorreatores que compreendem seis estágios, cada um com um volume de trabalho de 1,5 litro (para um volume de reator total de 9 litros para o sistema), foi usada para a avaliação estendida de um processo de conversão biológica de múltiplos estágios conforme descrito no presente documento. Especificamente, esses processos usaram reatores de circuito de fluxo inferior de líquido de contracorrente que têm colunas principais de cerca de 1,2 metros de altura e 50 milímetros de diâmetro e construídos a partir de plástico de PVC transparente para observação da hidrodinâmica. O quinto e o sexto estágios tinham colunas principais um pouco mais altas. Uma bomba centrífuga de baixa pressão plástica (grandeza de água, 500 a 2.000 l/h) no fundo de cada coluna foi usada para reciclar líquido para um distribuidor de líquido de regador de cone completo no topo da coluna. A queda de pressão por cada regador foi baixa, na ordem de 20 a 40 kPa.

[0095] O gás entrou em cada estágio de biorreator separadamente e próximo aos fundos das colunas, através de borbulhadores de aço inoxidável sinterizado. O gás não utilizado e não dissolvido saiu no topo de cada coluna, acima do regador. Todos os seis estágios foram operados em uma pressão proximamente atmosférica. Cada estágio foi conectado de modo fluido ao próximo (para a transferência de produtos líquidos) por linhas de aço inoxidável de furo pequeno (tubagem de diâmetro interno de 1,5 mm) fixadas no fundo de cada coluna principal, logo abaixo de seus respectivos borbulhadores. Alimentou-se com o meio de cultura líquido o primeiro estágio e o mesmo foi transferido através do sistema de estágios de biorreator pela cabeça de líquido sozinha. O estágio final ou o sexto estágio foi usado para controlar os níveis de líquido de reator em todo o sistema, com o uso de um ponto de impulsão de líquido que foi ajustável em elevação. Cada estágio foi equipado com linhas químicas de dosagem separadas e controle de temperatura. Além dos dois estágios finais (isto é, o quinto e o sexto estágios), os estágios também foram equipados com sistemas de medição e controle de pH.

EXEMPLO 2 Operação de Acomodação Inicial

[0096] Uma operação inicial foi projetada para testar a efetividade de um sistema de biorreator de múltiplos estágios para a conversão biológica de CO em um substrato que contém CO gasoso em etanol e outros metabólitos, na presença de um meio de cultura bacteriano que contém C. autoethanogenum. Uma versão simplificada da sonda de teste, conforme descrito no Exemplo 1, foi empregada, sem aspersões de banho de espaço livre, isto é, a zona de fase de vapor contínua era um tubo aberto. Nem foi usado nenhum borbulhador, isto é, o gás foi introduzido na zona de fase líquida contínua através de um tubo aberto de diâmetro interno de 3 mm. O controle de temperatura nos biorreatores do quinto e do sexto estágios estava ausente e o controle de nível de líquido foi mantido com um simples sistema de líquido de transbordamento (saída de gás compartilhada). A operação de bioconversão alcançou crescimento bacteriano estável por 2 semanas, alcançando, eventualmente, um ponto de operação de >43 gramas/litro de produção de etanol com <2 gramas/litro de produção de acetato, com base no produto líquido de estágio final retirado do biorreator do sexto estágio. A taxa de diluição de estágio uniforme, ou de adição do meio de cultura de líquido, foi aproximadamente 2,5 mililitros por minuto (ou cerca de 2,3 volumes de reator por dia para cada biorreator). Esses resultados validaram o sistema para controle de nível de líquido de transbordamento, embora alguns tensoativos de geração de transferência de massa tenham sido observados para serem removidos no nível de líquido de suspensão dos estágios de biorreator iniciais, o que reduz a transferência de massa.

EXEMPLO 3 Operação Modificada com Base em Observações Hidrodinâmicas

[0097] Em uma segunda operação, modificações foram feitas para chegar na sonda de teste substancialmente conforme descrito no Exemplo 1. Essas modificações, com base na avaliação hidrodinâmica do teste no Exemplo 2, incluíram estabelecer conexões de “apenas líquido” entre os estágios, com o uso de tubagem de aço inoxidável de diâmetro interno de 1,5 mm fixada nos fundos das colunas. Esse diâmetro foi determinado para ser suficientemente pequeno para impedir mistura por refluxo nas taxas operacionais de adição do meio de cultura (taxas de diluição). Em vista dessas conexões de líquido nos fundos dos reatores, uma saída de altura ajustável para o produto líquido de estágio final, que sai do sexto biorreator, foi adicionada para o controle de nível de líquido por todo o sistema. Além disso, aspersões de banho de espaço livre de cone completo foram adicionadas a todos os biorreatores para distribuição de líquido e os sistemas de controle de temperatura foram adicionados nos circuitos de reciclagem de líquido externos dos dois estágios de reator finais. Escapes de gás separados foram fornecidos para cada um dentre os seis biorreatores, em oposição a ter os produtos gasosos, que contêm CO não utilizado, combinados conforme descrito no Exemplo 2.

[0098] Um teste de 48 dias da reação de conversão biológica descrita no Exemplo 2 foi conduzido com operação estável. Sob condições contínuas, a produtividade e a qualidade de produto foram, ambas, muito favoráveis. Por exemplo, ao longo de um período de 10 dias, os parâmetros operacionais de estado estável (por exemplo, pressões, temperaturas, taxas de fluxo, valores de pH, etc.) alcançaram uma titulação de etanol de produto líquido de estágio final na faixa de mais que 61 gramas/litro e uma titulação de acetato (ácido acético) na faixa de apenas 0,6 gramas/litro (uma razão em p/p de cerca de 300: 1 ou mais de etanol/ácido acético). A titulação de 2,3-butanediol esteve na faixa de 8,4 gramas/litro. Esses resultados foram alcançados com a adição do meio de cultura de líquido de aproximadamente 2,5 mililitros por minuto (ou uma taxa de diluição de cerca de 2,3 volumes de reator por dia para cada biorreator). De modo importante, ao longo de 33 dias de operação contínua, as titulações de etanol foram consistentemente acima de 50 gramas/litro, com titulações surpreendentemente altas de mais de 70 gramas/litro por 3 dias e mesmo uma titulação de pico de 76 gramas/litro durante a operação. Quando a taxa de adição de meio de cultura ao segundo, ao terceiro e ao quarto estágios de biorreator foi aumentada, para obter uma taxa de diluição de 3,5 volumes de reator por dia no biorreator final, mais de 50 gramas/litro de etanol foram obtidos no produto líquido de estágio final. O desempenho alcançado sobre essa operação estendida é ilustrado na Figura 3, a qual fornece as concentrações, no produto líquido de estágio final, de etanol e outros metabólitos, a saber ácido acético e 2,3-butanediol, assim como a concentração do microrganismo (biomassa). O perfil de metabólito (concentrações de etanol, ácido acético e 2,3-butanediol) para os produtos líquidos de cada estágio é ilustrado na Figura 4, com base em amostras de produto líquido tomadas em 23 dias em operação. A Figura 4 mostra, em particular, as concentrações rapidamente crescentes de etanol obtidas em estágios sucessivos, e ao mesmo tempo, apenas um aumento muito modesto na concentração de 2,3-butanediol e uma diminuição na concentração de acetato (ácido acético). Os resultados dessa operação incluíram utilizações de CO de estágio de biorreator CO individuais de 65 a 75% durante a operação estável no começo do teste de 48 dias, as quais aumentaram para 80 a 90% em períodos de tempo posteriores quando titulações de produto de etanol maiores foram alcançadas. Esses resultados são indicativos de coeficientes de transferência de massa muito altos para reatores de coluna/circuito dessa escala.

[0099] Vantajosamente, as titulações altas do etanol de produto final e a operação excepcionalmente estável foram alcançadas, pelo menos em parte, através do posicionamento das linhas de transferência de líquido nos fundos dos reatores e da adição dos distribuidores de líquido nos espaços livres do reator. Isso teve o efeito de reduzir algumas desvantagens relacionadas ao acúmulo de espuma e à transferência preferencial de aditivos químicos fora do topo da fase líquida. Em geral, tanto a transferência de massa quanto o controle operacional foram significativamente aperfeiçoados, como resultado das modificações feitas entre os testes conduzidos nos Exemplos 2 e 3. Além disso, os níveis de interface de gás e líquido estiveram consistentemente nos topos de suas respectivas colunas/reatores e foram mais facilmente controlados, independente do inventário de líquido real (volume de líquido real). Portanto, a quantidade de retenção pôde ser diretamente controlada pelo inventário de líquido, o qual, no caso do sistema de biorreator de múltiplos estágios usado no Exemplo 3, foi, por usa vez, regulado com o uso de uma linha de drenagem externa. Essa linha, usada para retirar o estágio de produto líquido de biorreator final, foi conectada a um disjuntor de sifão de altura ajustável, o que permite que a fase líquida dentro das colunas seja definida para qualquer nível desejável. Resultados particularmente bons foram obtidos com uma altura de cabeça de líquido que se estende, aproximadamente, para os primeiros 30 a 50% do comprimento de reator (por exemplo, nominalmente 40% de retenção).

[00100] Com base nos resultados obtidos nos Exemplos 2 e 3, os processos e sistemas, conforme descrito no presente documento, têm um potencial excepcionalmente alto para aperfeiçoar a transferência de massa de vapor e líquido, com exigências relativamente baixas, ou até mesmo nenhuma exigência, em termos de entrada de energia adicional e/ou gastos de capital. A operação é simplificada e as economias de custo podem ser realizadas, por exemplo, abdicando-se de despesas associadas a pelo menos alguns sistemas de separação de membrana e/ou sistemas de controle de nível (e fluxômetros associados, bombas, válvulas de controle e outra instrumentação e equipamento.

[00101] Em geral, os aspectos da invenção são direcionados a processos de biorreator de múltiplos estágios, que utilizam configurações de fluxo de vapor e líquido particulares, conforme descrito acima, as quais levam a diversas vantagens de processo, particularmente em relação a alcançar alta produtividade do produto final desejado, em conjunto com a simplicidade de fabricação dos sistemas associados. As pessoas versadas na técnica, com o conhecimento obtido a partir da presente revelação, irá reconhecer que diversas alterações podem ser feitas, sem se afastar do escopo da presente invenção.

Claims (24)

1. Processo de múltiplos estágios para converter fonte de carbono C1 em um produto final, o processo caracterizado pelo fato de que compreende: alimentar com um substrato que contém C1 gasoso, em paralelo, um primeiro estágio de biorreator e pelo menos um segundo estágio de biorreator do processo de múltiplos estágios, alimentar com pelo menos uma porção de um produto líquido de primeiro estágio, em série, a partir do primeiro estágio de biorreator até o segundo estágio de biorreator, em que o produto líquido de primeiro estágio compreende um microrganismo de fixação de C1 usado no primeiro estágio de biorreator para metabolizar fonte de carbono C1 e gerar o produto final.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que se alimenta com o produto líquido de primeiro estágio o segundo estágio de biorreator, sem separação do microrganismo de fixação de C1 e reciclagem do microrganismo de fixação de C1 separado para o primeiro estágio de biorreator.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos quatro estágios de biorreator em que se alimenta com o substrato que contém C1 gasoso em paralelo os estágios, e alimenta-se sucessivamente com produtos líquidos, incluindo o produto líquido de primeiro estágio, a partir do primeiro estágio de biorreator para um estágio de biorreator final e, então, retira-se os mesmos do estágio de biorreator final.

4. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que uma utilização de C1 geral dos pelo menos quatro estágios de biorreator é pelo menos 60%.

5. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os pelo menos quatro estágios de biorreator são operados em uma pressão menor que 200 quilopascais (kPa) acima da pressão atmosférica.

6. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o produto final é etanol e, além do etanol, o microrganismo de fixação de C1 gera ácido acético como um metabólito.

7. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente retirar um produto líquido de estágio final de um estágio de biorreator final do processo de múltiplos estágios, em que uma fração líquida livre de biomassa do produto líquido de estágio final compreende pelo menos 50 gramas por litro (g/l) de etanol.

8. Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a fração líquida livre de biomassa do produto líquido de estágio final tem uma razão de peso de etanol:ácido acético de pelo menos 50: 1.

9. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o produto final é um produto dependente de crescimento selecionado a partir do grupo que consiste em isopropanol, butanol, acetato, acetona, ácido 2-hidroxiisobutírico e isobutileno.

10. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente retirar um produto líquido de estágio final de um estágio de biorreator final do processo de múltiplos estágios, em que uma fração líquida livre de biomassa do produto líquido de estágio final compreende pelo menos 10 gramas por litro (g/l) de isopropanol.

11. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro e o segundo estágios de biorreator têm pelo menos um processo independentemente controlável que opera a variável selecionada a partir do grupo que consiste em taxa de adição de meio de cultura líquido, taxa de alimentação de substrato que contém C1 gasoso, temperatura de reator, pH de reator e combinações dos mesmos.

12. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dentre o primeiro e o segundo estágios de biorreator compreende um biorreator que tem uma razão de seu comprimento para sua largura menor que 10:1.

13. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dentre o primeiro e o segundo estágios de biorreator compreende um biorreator de circuito circulado.

14. Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o biorreator de circuito circulado opera com circulação líquida interna em uma zona de fase líquida contínua.

15. Processo de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que, na zona de fase líquida contínua, líquido flui para cima em um tubo de subida interno e para baixo em um ou mais tubos de descida internos.

16. Processo de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o biorreator de circuito circulado opera com gás de contracorrente e líquido flui em uma zona de fase de vapor contínua, acima da zona de fase líquida contínua.

17. Processo de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a zona de fase líquida contínua está dentro de um mínimo de 75% do comprimento do biorreator de circuito circulado.

18. Processo de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a zona de fase líquida contínua e a zona de fase gasosa contínua compreendem dispositivos de contato de vapor e líquido, em que os dispositivos de zona de fase líquida contínua são diferentes dos dispositivos de zona de fase de vapor contínua.

19. Processo de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o produto líquido, reciclado através de um circuito de reciclagem externo, é para a zona de fase de vapor contínua.

20. Processo de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o produto líquido que é reciclado através do circuito de reciclagem externo é passado através de um trocador de calor externo para controle da temperatura do biorreator de circuito circulado.

21. Processo de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que um agente de neutralização básico é adicionado ao produto líquido que é reciclado através do circuito de reciclagem externo para controlar o pH do biorreator de circuito circulado.

22. Processo biológico de múltiplos estágios para converter CO em etanol, o processo caracterizado pelo fato de que compreende: dividir um substrato que contém CO gasoso, em paralelo, dentre uma pluralidade de estágios de biorreator do processo de múltiplos estágios; alimentar sucessivamente com produtos líquidos que compreendem microrganismo carboxidotrófico, em série, a partir de um primeiro estágio de biorreator para estágios de biorreator a jusante, retirar, a partir de um estágio de biorreator final, um produto líquido de estágio final que tem uma fração de líquido que não contém microrganismo carboxidotrófico que compreende pelo menos 50 gramas por litro (g/l) de etanol e que tem uma razão de peso de etanol:ácido acético de pelo menos 50:1.

23. Processo de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos quatro estágios de biorreator.

24. Processo de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que dois ou mais dentre a pluralidade de estágios de biorreator são seções separadas dentro de um único recipiente.

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