BR112019013989A2 - reatores, sistemas e processos de fermentação alimentados com gás que utilizam uma zona de fluxo vertical - Google Patents

Abstract

trata-se de reatores, sistemas e processos para a produção de biomassa cultivando-se micro-organismos em meio de cultura líquido aquoso que circula em um reator de ciclo que utilizam zonas de fluxo substancialmente verticais. a recuperação e processamento dos micro-organismos de cultura para obter produtos, tais como proteínas ou hidrocarbonetos é descrita.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: REATORES, SISTEMAS E PROCESSOS DE FERMENTAÇÃO ALIMENTADOS COM GÁS QUE UTILIZAM UMA ZONA DE FLUXO VERTICAL

Fundamentos

Campo da Técnica [001] Esta invenção refere-se a reatores, sistemas e processos úteis na fermentação e, em particular, a reatores, sistemas e processos de fermentação que usam um substrato gasoso.

Descrição da Técnica Relacionada [002] Com o crescente esgotamento de depósitos de combustível fóssil, a crescente produção de gases de estufa e recentes preocupações sobre mudança climática, a substituição de biocombustíveis (por exemplo etanol, biodiesel) por combustíveis fósseis se tornou um foco industrial. No entanto, os biocombustíveis gerados até agora têm suas próprias dificuldades e preocupações. Biocombustíveis de primeira geração são derivados de plantas (por exemplo, amido; cana de açúcar; e milho, colza, soja, palmeira, e outros óleos vegetais), mas essas culturas de combustível competem com culturas desenvolvidas para consumo humano e animal. A quantidade de terras agrícolas disponíveis globalmente é insuficiente para atender às crescentes necessidades tanto de alimento quanto de combustível. Para reduzir a demanda colocada em produtores de alimento para

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2/132 grãos compatíveis com biocombustivel, biocombustiveis de segunda geração que usam material biológico alternativo tal como celulose ou algas estão sob desenvolvimento. No entanto, dificuldades técnicas na produção, junto com o alto custo de produção, não tornaram biocombustiveis de segunda geração mais rentáveis ou acessíveis.

[003] Biocombustiveis de terceira ou de próxima geração são produzidos com o uso de matérias-primas de carbono à base de produtos não alimentícios alternativas. Como parte desse esforço, o uso de matérias-primas de base não biológica alternativas na produção de compostos com maior teor de hidrocarbonetos incluindo combustíveis, lubrificantes, e plásticos ganha impulso crescente. Tais matérias-primas pode incluir um ou mais compostos que contêm carbono ou misturas de compostos que não contêm carbono e que contêm carbono que incluem, entre outros, metano e gás de síntese. Metano, por exemplo, é relativamente abundante, naturalmente ocorrente e encontrada em muitas localizações em todo o mundo. Metano é também produzido durante muitos processos de degradação biológica, e desse modo, podem ser capturados de tratamento de refugo e instalações de aterro sanitário. Para sua abundância relativa, metano é um gás de estufa potente, que tem 23x a contribuição relativa de gásestufa de CO2. Historicamente, metano foi visto como um subproduto de certa forma valioso que é difícil de converter

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3/132 em produtos de maior valor ou transportar ao mercado a partir de localizações remotas ou isoladas, tais como campos de gás remoto ou plataformas de produção offshore. Metano de tais fontes, assim como o metano produzido por processos de decomposição biológica que ocorrem em instalações de tratamento de esgoto e aterros sanitários, é primeiramente tanto removido como queimado. A capacidade de converter de modo eficiente e econômico metano e gases similares que contêm carbono a um ou mais C2 de maior valor ou maior teor de hidrocarbonetos permitiría que produtores tenham vantagem de uma matéria-prima relativamente abundante, não biologicamente produzida enquanto, ao mesmo tempo, fornece um benefício ambiental significativo.

[004] O aumento de produção doméstica de capacidade de metano torna o metano mais prontamente disponível domesticamente. O gás natural doméstico é primeiramente produzido por fratura hidráulica (fraturação), mas o metano também pode ser obtidos de outras fontes, tais como aterros sanitários e esgotos. Mas a volatilidade do metano torna o transporte e/ou uso direto de metano como combustível problemático.

[005] Por essas razões, um forte incentivo existe para converter o metano em um ou mais produtos líquidos, por exemplo, combustíveis de motor, para permitir transporte mais fácil ao ponto de uso ou venda. Duas abordagens

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4/132 principais são atualmente visados: liquefação que causa gás natural liquefeito (LNG) e conversão química para converter gás em líquido (GTL) (Patel, 2005, 7^o Congresso Mundial de Engenharia Química, Glasgow, Escócia, R.U.). O processo de processo de Fischer Tropsch (F-T) é atualmente a abordagem mais prevalente para converter grandes quantidades de metano em hidrocarbonetos de maior ordem (Patel, 2005). Observe que o processo de F-T toma gás de síntese como uma entrada; o gás de síntese é produzido a partir de gás natural por reforma com vapor (gás de síntese também pode ser oriundo de gasificação de carvão, por reação em alta temperatura com água e oxigênio) . O processo de F-T rende produtos de petróleo consistente com suprimento de combustível atual, mas sofre de várias desvantagens, incluindo baixo rendimento, fraca seletividade (tornando utilização a jusante complexa) , e exige investimento de capital significativo e escalonamento para alcançar produção econômica (Spath e Dayton, Dezembro de 2003 NREL1TP-51034929) . A escala massiva necessária para uma usina de F-T (geralmente em excesso de dois bilhões de dólares em custo capital [Patel, 2005]) também representa uma limitação significativa devido à grande quantidade de matéria-prima de metano necessária para deslocar o enorme custo de capital do processo de F-T. Visto que o transporte de metano é proibitivamente caro na maioria dos casos, tal usina precisa

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5/132 ser colocalizada com uma fonte imediata, segura e rentável de metano, geralmente na forma de um reservatório de metano significativo ou uma tubulação de metano. Um custo adicional e fator de escalonamento é a economia de tecnologias de depuração de gás (Spath e Dayton, 2003), visto que catalisadores de F-T são muito sensíveis a contaminantes comuns encontrados em gás natural que passam não afetados através do processo de conversão de gás de síntese.

[006] As necessidades de acesso imediato a grandes volumes de um gás que contém metano relativamente limpo, combinados com um investimento de capital massivo, atualmente limitam usinas de F-T baseados em gás natural à operação bem-sucedida e economicamente viável em somente algumas localizações em todo o mundo (Spath e Dayton, 2003). A necessidade de alto processamento mínimo para um processo de gás-para-líquido ou usina de gás natural liquefeito, combinado com o alto custo de transporte, resultam em menores fontes de metano permanecendo como depósitos de gás isolados. Tal gás isolado pode incluir, porém, sem limitação, gás natural produzido em poços de óleo off-shore, ou efluente gasoso de metano de aterros sanitários. Devido à ausência atual de tecnologias de conversão em pequena escala eficientes, tais fontes de gás isoladas são tipicamente removidas à atmosfera ou queimadas, visto que acúmulo de metano apresenta um risco de segurança

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6/132 significativo. Instalações de gás para liquido que usam o processo de Fischer-Tropsch estavam em operação semicontinuamente desde 1938. Várias empresas são atualmente em investigação da introdução de novas plantas dada a atual disponibilidade e preço de metano discutido acima. No entanto, apesar da pesquisa e desenvolvimento significativo pelos últimos 70+ anos, as limitações de tecnologia de Fischer-Tropsch evitam a ampla adoção de processos de gás para líquidos comerciais.

[007] Avanços na eficácia em utilização de alimentação animal foram obtidos pelas últimas várias décadas através do uso de aditivos de alimentação. Essas substâncias adicionadas aumentam o teor de nutriente, teor de energia, e/ou propriedades de combate à doença de composições de alimentação animal. Um desafio crescente de produtores de animal comerciais é o custo crescente de grãos. Os custos crescentes se dão devido em parte às demandas de competição para grãos para biocombustível e uso de alimento humano. Com o aumento crescente de complementos de grão e proteína, acoplado com terra limitada disponível para produção de alimento, produtos alternativos de alimentação de animal de baixo custo com propriedades nutritivas benéficas e de combate à doença são desejáveis.

[008] Vários materiais que contêm proteína diferentes foram propostos como substitutos para fontes mais

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7/132 tradicionais de proteína, tais como farinha de peixe, produtos de soja e plasma sanguíneo, em alimentos de humano e como alimentos de animal. Esses materiais que contêm proteína incluem micro-organismos de célula única tais como fungos, leveduras e bactérias que contêm altas proporções de proteínas. Esses micro-organismos podem ser desenvolvidos em hidrocarboneto ou outros substratos.

[009] Em vista do supracitado, fermentação biológica com o uso de Ci substratos como uma fonte de carbono apresenta uma solução atrativa tanto à competição atual entre fontes de alimento quanto à fermentação para produzir produtos químicos/combustíveis, a necessidade de produtos alternativos de alimentação de animal de baixo custo, assim como a falta de opções satisfatórias para a utilização de gás natural. No entanto, a fermentação de substratos gasosos, tais como metano, CO, ou CO₂ apresenta desafios significativos devido à necessidade de que o substrato de carbono precisa ser transferida da fase gasosa a uma fase aquosa para permitir captação e metabolismo pelo Ci que metaboliza micro-organismos não-fotossintético em cultura. Simultaneamente, outros gases, tais como O₂ ou H₂ também podem ser necessárias para serem transferidas da fase gasosa para permitir que metabolismo celular progrida (metabolismo aeróbico e anaeróbico, respectivamente). Produtos de refugo (tais como CO₂ no caso de metabolismo aeróbico) precisam ser

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8/132 isolados dos micro-organismos para permitir crescimento microbiano eficiente. Além disso, a geração de calor do metabolismo de Ci substratos é significativa e o sistema precisa de resfriamento para manter condições ideais para crescimento microbiano.

[010] A transferência de massa convectiva da fase líquida à fase de vapor pode ser descrita com uma coeficiente de transferência de massa. O fluxo é iqual ao produto do coeficiente de transferência de massa, a área de fluxo, e a diferença de concentração (Fluxo = k A AC).

[011] O coeficiente de transferência de massa é influenciado por uma variedade de fatores que incluem o tamanho da molécula a ser transferida, sua solubilidade na fase aquosa, e o tamanho da camada de delimitação entre as fases (tipicamente controladas nos sistemas de fermentação por velocidade de mistura e turbulência) . A área de fluxo entre o qás e fases liquidas na maioria dos sistemas de fermentação é primeiramente limitadas pelo tamanho de bolha da entrada qás. O tamanho de bolha pode ser controlado introduzindo-se o qás através de pequenos poros, assim como aumentando as forças de cisalhamento para romper as bolhas e evitar coalescência. A diferença de concentração pode ser a diferença de concentração através da camada de delimitação de fase qasosa, a diferença de concentração através da camada de delimitação de fase liquida, a diferença de concentração

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9/132 entre o vapor de volume e o vapor que estaria em equilíbrio com o liquido de volume, ou a diferença de concentração entre o líquido de volume e o líquido que estaria em equilíbrio com o vapor de volume. Na maioria dos sistemas de fermentação, a diferença de concentração é controlada pela pressão da fase gasosa.

[012] Sistemas de fermentação convencionais (biorreatores) obtêm a mistura de gás por um de dois métodos: agitação ou airlift. Fermentadores agitados alcançam mistura por meio de lâminas de agitação geralmente colocadas de modo centralizado em um único fermentador grande. As lâminas agitadoras geram turbulência e cisalhamento no líquido enquanto bolhas gasosas são introduzidas no fundo do fermentador, impedindo desse modo o progresso das bolhas à medida que as mesmas se deslocam até o fermentador e cisalhando as bolhas gasosas para reduzir a tendência das bolhas de coalescer dentro do fermentador. A vantagem desse tipo de fermentador é a mistura rápida e relativamente homogênea e dispersão de bolha gasosa que é possível devido à alta velocidade das lâminas de mistura. No entanto, esse tipo de fermentador pode ser difícil de escalonar, visto que as necessidades de energia para obter a mesma taxa de mistura e transporte de massa pode ser proibitiva à medida que o volume aumenta. Além disso, a mistura vigorosa implica em um aquecimento significativo do líquido de fermentação, e o uso

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10/132 de um único fermentador grande limita a área de fluxo disponível para resfriamento de troca de calor.

[013] Fermentadores tipo airlift evitam agitadores mecânicos incorporando-se uma trajetória de fluxo para o líquido. Fermentadores tipo airlift têm uma seção de fluxo descendente e um fluxo ascendente que são interconectados em ambas as extremidades; essas seções podem ser tanto unidades separadas (denominadas como um fermentador de ciclo), ou concêntricas (fermentador tipo airlift). Em qualquer caso, gases são supridos no fundo da seção de fluxo ascendente através de um aparelho de geração de bolhas. As bolhas se misturam com o líquido, reduzindo a densidade do líquido e fazendo com que a mistura de gás-líquido se eleve através da seção de fluxo ascendente. A mistura crescente desloca líquido no topo do reator, que se desloca à seção de fluxo descendente para substituir o líquido no fundo, estabelecendo um fluxo circular no fermentador. De modo a obter um longo tempo de permanência para as bolhas gasosas no líquido, fermentadores tipo airlift são geralmente altos e têm uma área de corte transversal limitada. Isso implica que o gás precisa ser suprido em uma pressão relativamente alta para superar pressão hidrostática formada pela coluna de líquido presente no fermentador. Adicionalmente, o tamanho de bolha aumenta significativamente por todo o fermentador à medida que a pressão diminui com a altura. O

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11/132 crescente diâmetro de bolha reduz proporcionalmente a taxa de transferência de massa entre as bolhas gasosas e a fase liquida reduzindo-se a razão de área de bolha gasosa (proporcional ao quadrado do raio de bolha gasosa) ao volume de bolha gasosa (proporcional ao cubo do raio de bolha gasosa) através do qual a transferência de massa pode ocorrer. Taxas de fluxo e forças de cisalhamento em fermentadores tipo airlift são significativamente menores do que em fermentadores de tanque agitados, que também tendem a aumentar a coalescência de bolha e reduzir a eficiência de resfriamento do fermentador. Finalmente, separação dos gases não usados e de refugo da mistura que sai da porção de fluxo ascendente do fermentador antes do retorno do liquido à seção de fluxo descendente pode ser desafiadora.

[014] Reatores de ciclo são descritos no documento de Patente n° U.S. 7.575.163 e foram propostos para fermentar micro-organismos, por exemplo, para a geração de biomassa ou para a preparação de materiais produzidos por microorganismos. A Figura 1 ilustra um reator de ciclo 1 que inclui uma zona de remoção de gás efluente 2 que flui para uma zona de fluxo descendente vertical 3. A zona de remoção de gás efluente 2 inclui uma porta de salda 7 e uma passagem de emergência 8. A zona de fluxo descendente vertical 3 inclui uma entrada de gás nutriente 15. Um propulsor 10 alimentado por motor 11 auxilia na circulação de um meio de

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12/132 cultura liquido através do reator de ciclo. Uma porta de saída 12 para remover material do reator de ciclo se situa a montante do propulsor 10. Entradas de amônia e mineral 17 e 18 se situam a jusante do propulsor 10. O meio de cultura líquido 9 atravessa uma pluralidade de misturadores estáticos 14 em uma seção plural 4 do reator de ciclo. A seção plural do reator de ciclo também inclui uma pluralidade de entradas de gás nutriente 13. ,0 reator de ciclo inclui uma seção de fluxo ascendente vertical 5 a jusante do último mistura estática 14. A extremidade de topo da seção de fluxo ascendente vertical 5 se comunica de modo fluido com uma zona de fluxo externo horizontal 6. A seção de fluxo ascendente vertical 5 é dotada de uma entrada de gás nutriente 16. Uma entrada de gás de acionamento 19 através da qual um gás de acionamento é entregue ao meio de cultura líquido a montante da entrada de gás nutriente 16. A patente '163 descreve o reator de ciclo ilustrado na Figura 1 tem uma queda vertical entre a superfície de gás-líquido 22 na extremidade da zona de fluxo externo 6 e a linha central do ciclo na seção plural que é pelo menos 10 metros.

[015] Reatores de ciclo do tipo descrito na patente '163 pode precisar de rastros relativamente grandes e podem precisar de construções que têm volume suficiente para alojar todos ou porções de tais reatores. 0 espaço e volume de construção necessários por um reator de ciclo não pode ser

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13/132 usado de outros modos. Outros biorreatores, além dos reatores de ciclo, também podem ocupar rastros relativamente grandes e podem precisar de construções que têm volume suficiente para alojar todos ou porções de tais reatores. Com crescentes valores de estado real, o custo de espaço ocupado por biorreatores torna-se mais pesado. Reduzir o rastro e volume ocupado por biorreatores, sem comprometer o desempenho do biorreator, reduziría a carga de custos de terra crescente e custos de construções.

Breve sumário [016] Em um aspecto, a presente revelação descreve sistemas, processos e aparelhos para transferência de massa eficiente de substratos gasosos para fermentação microbiana. Adicionalmente, esta revelação descreve sistemas, processos e aparelhos para fermentar matérias-primas que contêm carbono gasoso com o uso de uma cultura que compreende primeiramente um micro-organismo não fotossintético que metaboliza Ci. Em outros aspectos, esta revelação descreve sistemas, processos e aparelhos para fermentar matériasprimas gasosas que incluem substratos gasosos, com o uso de outros além de micro-organismo (ou micro-organismos) não fotossintético que metaboliza Ci. Em outro aspecto, esta revelação descreve projetos de fermentador escalonáveis para permitir transferência de massa de fase gasosa para fase líquida de alto fluxo. Sistemas e processos para fermentação

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14/132 que superaram as desvantagens conhecidas na técnica e fornecem ao público novos processos e dispositivos para a produção ideal de uma variedade de produtos são descritos.

[017] Tais sistemas de fermentação pode empregar uma ou mais espécies de micro-organismo que têm capacidade de metabolizar compostos gasosos; por exemplo, compostos Ci. Tais micro-organismos incluem procariotas ou bactérias, tais como Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium, Methanomonas, Methylophilus, Methylobacillus, Methylobacterium, Hyphomicrobium, Xanthobacter, Bacillus, Paracoccus, Nocardia, Arthrobacter, Rhodopseudomonas ou Pseudomonas. Em alguns casos, os micro-organismos que metabolizam Ci podem incluir metanotrofos, metilotrofos ou combinações dos mesmos. Metanotrofos preferenciais incluem Metylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium, Methanomonas ou combinações dos mesmos. Metanotrofos exemplificativos incluem Methylomonas sp. 16a (ATCC PTA 2402), Methylosinus trichosporium (NRRL B-ll, 196), Methylosinus sporium (NRRL B-ll, 197), Methylocystis parvus (NRRL B-ll, 198), Methylomonas methanica (NRRL B-5 11,199), Methylomonas alb us (NRRL B-ll ,200), Methylobacter capsulatus (NRRL B11,201), Methylobacterium organophilum (ATCC 27,886), Methylomonas sp. AJ-3670 (FERM P-2400), Methylomicrobium

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15/132 alcaliphilum, Methylocella silvestris, Methylacidiphilum infernorum, Methylíbíum petroleiphilum, Methylosinus trichosporium 0B3b, Methylococcus capsulatus Bath, Methylomonas sp. 16a, Methylomicrobium alcaliphilum 20Z, ou variantes de alto crescimento dos mesmos. Metilotrofos preferenciais incluem Methylobacterium extorquens, Methylobacterium radiotolerans, Methylobacterium populi, Methylobacterium chloromethanicum, Methylobacterium nodulans ou combinações dos mesmos.

[018] Micro-organismos com capacidade de metabolizar compostos de Ci encontrados em gás de síntese incluem, porém, sem limitação, Clostridium, Moorella, Pyrococcus, Eubacterium, Desulfobacterium, Carboxydothermus, Acetogenium, Acetobacterium, Acetoanaerobium, Butyribacterium, Peptostreptococcus ou combinações dos mesmos. Metilotrofos exemplificativos incluem Clostridium autoethanogenum, Clostridium Ijungdahli, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxydivorans, Butyribacterium methylotrophicum, Clostridium woodii, Clostridium neopropanologen ou combinações dos mesmos. Em alguns casos, micro-organismos que metabolizam Ci são eucariotas tais como levedura, incluindo Candida, Yarrowia, Hansenula, Pichia, Torulopsis ou Rhodotorula.

[019] Em outros casos, o micro-organismo não fotossintético que metaboliza Ci é um micro-organismo não

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16/132 fotossintético que metaboliza Ci obrigatório, tal como um metanotrofo obrigatório, um metilotrofo obrigatório ou combinações dos mesmos. Em alguns casos, o micro-organismo não fotossintético que metaboliza Ci é um micro-organismo recombinante que compreende um polinucleotídeo heterólogo que codifica uma enzima que produz ácido graxo, uma enzima de assimilação de formaldeído ou combinações dos mesmos.

[020] Adicionalmente ou como alternativas ao supracitado, a presente revelação descreve as seguintes modalidades. Uma primeira modalidade direcionada a um sistema para estimular a produção de biomassa que inclui um reator de ciclo, sendo que o reator de ciclo inclui: um recipiente de separação de gás/líquido para separar a mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido em uma fase gasosa e a fase líquida, sendo que o recipiente de separação de gás/líquido inclui uma saída e uma entrada; a seção de ciclo que inclui uma entrada em comunicação fluida com a saída do recipiente de separação de gás/líquido e uma saída em comunicação fluida com a entrada do recipiente de separação de gás/líquido; pelo menos uma zona substancialmente horizontal entre a entrada de seção de ciclo e a saída de seção de ciclo; uma primeira zona de fluxo substancialmente vertical, a primeira zona de fluxo substancialmente vertical localizada entre a entrada da seção de ciclo e a saída da seção de ciclo; e uma segunda

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17/132 zona de fluxo substancialmente vertical, sendo a segunda zona de fluxo substancialmente vertical localizada entre a primeira zona de fluxo substancialmente vertical e a saída da seção de ciclo, em operação, a mistura de múltiplas fases flui através da segunda zona de fluxo substancialmente vertical e a mistura de múltiplas fases flui através da primeira zona de fluxo substancialmente vertical na mesma direção.

[021] Uma segunda modalidade revelada no presente documento é direcionada à primeira modalidade que inclui uma terceira zona de fluxo substancialmente vertical, sendo a terceira zona de fluxo substancialmente vertical localizada entre a segunda zona de fluxo substancialmente vertical e a saída da seção de ciclo, em operação, a mistura de múltiplas fases flui através da terceira zona de fluxo substancialmente vertical na mesma direção à medida que a mistura de múltiplas fases flui através da primeira zona de fluxo substancialmente vertical e da segunda zona de fluxo substancialmente vertical.

[022] Uma terceira modalidade revelada no presente documento é direcionada ao sistema da primeira e da segunda modalidades, em que a transferência de massa entre o gás e o meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na pelo menos uma zona substancialmente horizontal, quando o reator de ciclo está em operação, é caracterizado por uma

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18/132 taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra), transferência de massa entre o gás e o meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na primeira zona de fluxo substancialmente vertical, quando o reator de ciclo está em operação, é caracterizado por uma primeira taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra), e transferência de massa entre o gás e o meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na segunda zona de fluxo substancialmente vertical, quando o reator de ciclo está em operação, caracterizado por uma segunda taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra), em que pelo menos uma dentre a primeira taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra) e a segunda taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra) é 2 a 5 vezes maior do que a taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra).

[023] Uma quarta modalidade revelada no presente documento é direcionada a um sistema para estimular a produção de biomassa que inclui um reator de ciclo, sendo que o reator de ciclo inclui: um recipiente de separação de gás/líquido para separar uma mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido em uma fase gasosa e uma

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19/132 fase líquida, sendo que o recipiente de separação de gás/líquido inclui uma saída e uma entrada; a seção de ciclo que inclui uma entrada em comunicação fluida com a saída do recipiente de separação de gás/líquido e uma saída em comunicação fluida com a entrada do recipiente de separação de gás/líquido; uma primeira zona substancialmente horizontal entre a entrada de seção de ciclo e a saída de seção de ciclo, sendo que a primeira zona substancialmente horizontal inclui uma primeira seção de fluxo em que, quando o reator de ciclo está em operação, a mistura de múltiplas fases flui em uma primeira direção e uma segunda seção de fluxo em que, quando o reator de ciclo está em operação, a mistura de múltiplas fases flui na segunda direção que é diferente da primeira direção; a segunda zona substancialmente horizontal entre a entrada de seção de ciclo e a saída de seção de ciclo, sendo que a segunda zona substancialmente horizontal inclui uma terceira seção de fluxo em que, quando o reator de ciclo está em operação, a mistura de múltiplas fases flui em uma terceira direção e uma quarta seção de fluxo em que, quando o reator de ciclo está em operação, a mistura de múltiplas fases flui em uma quarta direção diferente da terceira direção; e pelo menos uma zona de fluxo substancialmente vertical entre a primeira zona substancialmente horizontal e a segunda zona substancialmente horizontal.

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20/132 [024] Uma quinta modalidade revelada no presente documento é direcionada à quarta modalidade em que a primeira zona substancialmente horizontal da seção de ciclo inclui uma quinta seção de fluxo em que, quando o reator de ciclo está em operação, o líquido de múltiplas fases flui em uma quinta direção diferente da primeira direção de fluxo na primeira seção de fluxo e diferente da segunda direção de fluxo na segunda seção de fluxo.

[025] Uma sexta modalidade revelada no presente documento é direcionada à quarta à quinta modalidade em que a segunda zona substancialmente horizontal da seção de ciclo inclui uma quinta seção de fluxo em que, quando o reator de ciclo está em operação, o líquido de múltiplas fases flui em uma sexta direção diferente da terceira direção de fluxo na terceira seção de fluxo e diferente da quarta direção de fluxo na quarta seção de fluxo.

[026] Uma sétima modalidade revelada no presente documento é direcionada à quarta à sexta modalidades em que transferência de massa entre o gás e o meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na primeira zona substancialmente horizontal, quando o reator de ciclo está em operação, é caracterizado por uma primeira taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra), transferência de massa entre o gás e o meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na segunda

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21/132 zona substancialmente horizontal, quando o reator de ciclo está em operação, é caracterizado por uma segunda taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra), e a transferência de massa entre o gás e o meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na pelo menos uma zona de fluxo substancialmente vertical, quando o reator de ciclo está em operação, é caracterizado por uma taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra), em que a taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra) é 2 a 5 vezes maior do que pelo menos uma dentre a primeira taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra) e a segunda taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra).

[027] Uma oitava modalidade revelada no presente documento é direcionada a um processo para estimular a produção de biomassa em um reator de ciclo que inclui passar uma mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido através de uma primeira zona de fluxo substancialmente vertical do reator de ciclo; na primeira zona de fluxo substancialmente vertical, transferir o gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases; passar a mistura de múltiplas fases de gás e um meio de cultura líquido através de uma

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22/132 zona substancialmente horizontal do reator de ciclo; na zona substancialmente horizontal, transferir o gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases; passar a mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido através de a segunda zona de fluxo substancialmente vertical do reator de ciclo; na segunda zona de fluxo substancialmente vertical, transferir o gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases; separar a mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido em uma fase gasosa e uma fase líquida a jusante da segunda zona de fluxo substancialmente vertical; passar a fase gasosa e a fase líquida separada da mistura de múltiplas fases de uma gás e um meio de cultura líquido em um recipiente de separação de gás/líquido através de uma entrada ao recipiente de separação de gás/líquido; e remover uma fase líquida de uma saída do recipiente de separação de gás/líquido e entregar a fase líquida removida a uma entrada de uma seção de ciclo do reator de ciclo, sendo que a mistura de múltiplas fases atravessa a segunda zona de fluxo substancialmente vertical e a mistura de múltiplas fases atravessa a primeira zona de fluxo substancialmente vertical na mesma direção.

[028] Uma nona modalidade revelada no presente documento é direcionada à oitava modalidade que inclui as etapas de passar a mistura de múltiplas fases de um gás e um

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23/132 meio de cultura líquido através de uma terceira zona de fluxo substancialmente vertical do reator de ciclo, sendo que a mistura de múltiplas fases atravessa a terceira zona de fluxo

substancialmente	vertical na	mesma direção	que a	mistura de
múltiplas fases	atravessa	a primeira	zona	de	fluxo
substancialmente	vertical	e a segunda	zona	de	fluxo
substancialmente	vertical,	e na terceira	zona	de	fluxo

substancialmente vertical, transferir o gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases.

[029] Uma décima modalidade descrita no presente documento é direcionada à oitava e nona modalidades em que a transferência do gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na primeira zona de fluxo substancialmente vertical ocorre em uma primeira taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra), a transferência do gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na zona substancialmente horizontal ocorre em uma taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra), e a transferência do gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na segunda zona de fluxo substancialmente vertical ocorre em uma segunda taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo

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24/132 substancialmente vertical (kra), em que pelo menos uma dentre a primeira taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra) e a segunda taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra) é 2 a 5 vezes maior do que a taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra).

[030] Uma décima primeira modalidade descrita no presente documento é direcionada à oitava à décima modalidades em que a transferência do gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na terceira zona de fluxo substancialmente vertical ocorre em uma terceira taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra), em que a terceira taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra) é 2 a 5 vezes maior do que a taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra).

[031] Uma décima segunda modalidade descrita no presente documento é direcionada a um processo para estimular a produção de biomassa em um reator de ciclo que inclui passar uma mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido através de uma primeira zona substancialmente horizontal do reator de ciclo; na primeira zona substancialmente horizontal, transferir o gás da

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25/132 mistura de múltiplas fases ao meio de cultura liquido da mistura de múltiplas fases, fluir a mistura de múltiplas fases em uma primeira direção através de uma primeira seção de fluxo da primeira zona substancialmente horizontal e fluir a mistura de múltiplas fases em uma sequnda direção através de uma sequnda seção de fluxo da primeira zona substancialmente horizontal, sendo que a primeira direção é diferente da sequnda direção; passar a mistura de múltiplas fases de um qás e um meio de cultura liquido através de uma zona de fluxo substancialmente vertical do reator de ciclo e na zona de fluxo substancialmente vertical que transfere o qás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura liquido da mistura de múltiplas fases; passar a mistura de múltiplas fases de um qás e a meio de cultura liquido através de uma sequnda zona substancialmente horizontal do reator de ciclo; na sequnda zona substancialmente horizontal, transferir o qás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura liquido da mistura de múltiplas fases, fluir a mistura de múltiplas fases em uma terceira direção através de uma terceira seção de fluxo da sequnda zona substancialmente horizontal e fluir a mistura de múltiplas fases em uma quarta direção através de uma quarta seção de fluxo da sequnda zona substancialmente horizontal, sendo que a terceira direção é diferente da quarta direção; separar a mistura de múltiplas fases de um qás e a meio de cultura

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26/132 liquido em uma fase gasosa e uma fase líquida a jusante da segunda zona substancialmente horizontal; passar a fase gasosa e a fase líquida separada da mistura de múltiplas fases de um gás e a meio de cultura líquido em um recipiente de separação de gás/líquido através de uma entrada ao recipiente de separação de gás/líquido; e remover uma fase líquida de uma saída do recipiente de separação de gás/líquido e entregar a fase líquida removida a uma entrada de uma seção de ciclo do reator de ciclo.

[032] Uma décima terceira modalidade descrita no presente documento é direcionada à décima segunda modalidade em que passar a mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido através da primeira zona substancialmente horizontal inclui adicionalmente fluir a mistura de múltiplas fases em uma quinta direção através de uma quinta seção de fluxo da primeira zona substancialmente horizontal, sendo que a quinta direção é diferente da primeira direção de fluxo na primeira seção de fluxo e é diferente da segunda direção de fluxo na segunda seção de fluxo.

[033] A décima quarta modalidade descrita no presente documento é direcionada à décima segunda e décima terceira modalidades em que passar a mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido através da segunda zona substancialmente horizontal inclui

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27/132 adicionalmente fluir a mistura de múltiplas fases em uma sexta direção através de uma sexta seção de fluxo da segunda zona substancialmente horizontal, sendo que a sexta direção é diferente da terceira direção de fluxo na segunda seção de fluxo e é diferente da quarta direção de fluxo na quarta seção de fluxo.

[034] Uma décima quinta modalidade descrita no presente documento é direcionada à décima segunda à décima quarta modalidades em que transferir o gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na primeira zona substancialmente horizontal ocorre em uma primeira taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra), transferir o gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na zona de fluxo substancialmente vertical ocorre em uma taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra), e transferir o gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na segunda zona substancialmente horizontal ocorre em uma segunda taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra), em que a taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra) é 2 a 5 vezes maior do que pelo menos uma dentre a primeira taxa de transferência

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28/132 de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kLa) e a segunda taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra).

[035] Uma décima sexta modalidade descrita no presente documento é direcionada à quarta à sétima modalidades em que a segunda zona de fluxo horizontal atravessa a primeira zona de fluxo horizontal.

[036] Uma décima sétima modalidade descrita no presente documento é direcionada à décima segunda à décima quinta modalidades em que passar a mistura de múltiplas fases através da segunda zona de fluxo horizontal 504 inclui passar a mistura de múltiplas fases na segunda zona de fluxo horizontal através da primeira zona de fluxo horizontal 502.

Breve descrição das várias vistas dos Desenhos [037] Nos desenhos, os tamanhos e posições relativas de elementos nos desenhos não são necessariamente desenhados em escala. Por exemplo, os vários elementos e ângulos não são desenhados em escala, e alguns desses elementos são arbitrariamente ampliados e posicionados para aprimorar a legibilidade do desenho. Além disso, os formatos particulares dos elementos conforme desenhado não são destinados a transportar nenhuma informação relacionada ao formato dos elementos particulares, e foram selecionados somente para facilidade de reconhecimento nos desenhos.

[038] A Figura 1 mostra uma vista esquemática de um

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29/132 reator de ciclo de técnica anterior que inclui uma seção de fluxo ascendente vertical a montante de uma zona de fluxo externo em que desgaseificação ocorre.

[039] A Figura 2 mostra um diagrama de blocos esquemático de um exemplo de um reator de ciclo para estimular a produção de biomassa e subsistemas opcionais de acordo com uma ou mais modalidades ilustradas e descritas.

[040] A Figura 3 mostra uma vista esquemática de um sistema exemplificativos para estimular a produção de biomassa que é útil ao fermentar um substrato gasoso que inclui uma primeira zona de fluxo e uma segunda zona de fluxo de acordo com uma ou mais modalidades ilustradas e/ou descritas.

[041] A Figura 4A mostra uma vista esquemática de um sistema exemplificativo para estimular a produção de biomassa que é útil ao fermentar um substrato gasoso que inclui uma primeira zona de fluxo substancialmente vertical e uma segunda zona de fluxo substancialmente vertical de acordo com uma ou mais modalidades ilustradas e/ou descritas.

[042] A Figura 4B mostra uma vista esquemática de um sistema exemplificativo para estimular a produção de biomassa que é útil ao fermentar um substrato gasoso que inclui uma primeira zona de fluxo substancialmente vertical e uma segunda zona de fluxo substancialmente vertical de acordo com uma ou mais modalidades ilustradas e/ou descritas.

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30/132 [043] A Figura 4C mostra uma vista esquemática de um sistema exemplificativo para estimular a produção de biomassa que é útil ao fermentar um substrato gasoso que inclui uma primeira zona de fluxo substancialmente vertical, uma segunda zona de fluxo substancialmente vertical e uma terceira zona de fluxo substancialmente vertical de acordo com uma ou mais modalidades ilustradas e/ou descritas.

[044] A Figura 4D mostra uma vista esquemática de um sistema exemplificativo para estimular a produção de biomassa que é útil ao fermentar um substrato gasoso que inclui uma primeira zona de fluxo substancialmente vertical, uma segunda zona de fluxo substancialmente vertical e uma terceira zona de fluxo substancialmente vertical de acordo com uma ou mais modalidades ilustradas e/ou descritas.

[045] A Figura 5 mostra uma vista esquemática de um sistema exemplificativo para estimular a produção de biomassa que é útil ao fermentar um substrato gasoso que inclui uma primeira zona de redução de pressão substancialmente horizontal, uma segunda zona de redução de pressão substancialmente horizontal e uma zona de fluxo substancialmente vertical de acordo com uma ou mais modalidades ilustradas e/ou descritas.

[046] A Figura 6 mostra um fluxograma de alto nível de um processo de fermentação que inclui fluir uma mistura de múltiplas fases através de uma pluralidade de zonas de

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31/132 fluxo substancialmente verticais de um reator de ciclo, de acordo com uma ou mais modalidades ilustradas e/ou descritas.

[047] A Figura 7 mostra a fluxograma de alto nível de um processo de fermentação que inclui fluir uma mistura de múltiplas fases através de uma zona de fluxo substancialmente vertical e uma pluralidade de zonas substancialmente horizontais, de acordo com uma ou mais modalidades ilustradas e/ou descritas.

Descrição Detalhada [048] Na descrição a seguir, determinados detalhes específicos são definidos de modo a fornecer um entendimento total de várias modalidades. No entanto, um especialista no assunto entenderá que a invenção pode ser praticada sem esses detalhes. Em outros casos, estruturas, detalhes de projeto de recipiente padrão, parâmetros de projeto detalhados de componentes disponíveis, tais como distribuidores de líquido ou gás, bombas, turbinas, e similares, detalhes relacionados ao projeto e construção dos recipientes de pressão de Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos (ASME), teoria de sistema de controle, etapas específicas em um ou mais processos de fermentação, e similares não foram mostrados ou descritos em detalhes para evitar obscurecer desnecessariamente descrições das modalidades descritas. A menos que o contexto exija o contrário, por todo o relatório descritivo e reivindicações a seguir, a palavra

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32/132 compreender e variações dos mesmos, tais como, compreende e compreendendo devem ser interpretadas em um sentido aberto inclusivo, ou seja, como incluindo, porém, sem limitação. Além disso, cabeçalhos fornecidos no presente documento são por conveniência somente e não interpretam o escopo ou significado da invenção reivindicada.

[049] Referência ao longo deste relatório descritivo a uma (1) modalidade e uma modalidade significa que um determinado recurso, estrutura ou característica descrito em ligação com a modalidade está incluído em uma pelo menos uma (1) modalidade. Desse modo, as ocorrências das frases em uma (1) modalidade ou em uma realização em vários lugares por todo o relatório descritivo não necessariamente faz referência à mesma modalidade.

Ademais, os recursos particulares, estruturas, ou características podem ser combinados de qualquer maneira adequada em uma ou mais modalidades. Além disso, conforme usado neste relatório descritivo e nas reivindicações anexas, as formas singulares um, uma, o e a incluem referentes plurais a menos que o teor indique claramente outro modo. Deve-se observar também que o termo ou é geralmente empregado em seu sentido que inclui e/ou a menos que o conteúdo indique claramente outro modo.

[050] Fermentação se refere ao crescimento em

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33/132 volume de micro-organismos em um meio de crescimento com a meta de produzir um produto químico específico que pode ser usado como é ou processado em um produto útil. A fermentação pode ser realizada sob condições aeróbicas ou anaeróbicas. Exemplos de fermentação incluem fermentação que converte gases que contêm carbono, tais como metano e gás de síntese em hidrocarbonetos gasosos ou líquidos de cadeia mais longa que podem ser recuperados e usados na produção de bioplásticos, combustíveis de hidrocarboneto e proteínas.

[051] Fermentadores são geralmente definidos como qualquer recipiente no qual um processo de fermentação é realizado. Dado o vasto número de processos de fermentação e a ampla variedade de substratos fermentáveis, fermentadores podem variar de reatores de tanque agitados contínuos simples encontrados na indústria de bebidas alcóolicas a recipientes especializados altamente complexos que têm distribuição de gás e estruturas internas adaptadas a um substrato particular e/ou uma espécie biológica particular. Fermentadores úteis em converter gases que contêm carbono tais como metano e gás de síntese (uma mistura de CO e H2) em hidrocarbonetos gasosos ou líquidos de cadeia mais longa geralmente dispersam um substrato gasoso que contém composto de carbono Ci dentro de um meio líquido que contém um ou mais nutrientes para fornecer uma mistura de múltiplas fases. Essa mistura de múltiplas fases é alimentada

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34/132 a uma ou mais colônias microbiológicas que convertem uma porção do composto (ou compostos) de carbono Ci no substrato gasoso em compostos de C2 ou mais altos, de cadeia mais longa mais preferenciais. A composição de substrato, nutrientes, e organismos microbiológicos que compreendem a colônia (isto é, a biomassa dentro do fermentador) pode ser variadamente ajustada ou adaptada para fornecer uma matriz final desejada de C2 ou compostos mais altos que podem estar presentes como um líquido, gás, ou material intracelular.

[052] Fermentadores úteis em utilizar gases que contêm carbono, tais como metano e gás de síntese (uma mistura de CO e H2) como um substrato para cultivar microorganismos de célula única, tais como fungos, leveduras e bactérias que contêm altas proporções de proteínas geralmente dispersam um substrato gasoso que contêm um composto de carbono Ci dentro de um meio líquido que contém um ou mais nutrientes para fornecer uma mistura de múltiplas fases. Essa mistura de múltiplas fases é colocada em contato com uma ou mais colônias microbiológicas que convertem uma porção do composto (ou compostos) de carbono Ci no substrato gasoso em proteínas. A composição de substrato, nutrientes, e organismos microbiológicos que compreendem a colônia (isto é, a biomassa dentro do fermentador) pode ser ajustada ou adaptada de modo variado para fornecer uma matriz final desejada de biomassa que contém proteína.

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35/132 [053] A partir de uma perspectiva de transferência de massa, os fermentadores de substrato gasoso apresentam um desafio exclusivo pelo fato de que o substrato é preso dentro de uma bolha gasosa e de modo que a captação microbiológica do substrato ocorra, o substrato gasoso precisa passar primeiro da bolha gasosa aos organismos microbiológicos tanto direta como indiretamente por meio de dissolução no meio líquido. Tais processos de fermentação são desse modo frequentemente limitados pela capacidade do sistema de facilitar e/ou prolongar um nível desejavelmente alto de transferência de massa do substrato das bolhas gasosas aos organismos microbiológicos dentro do fermentador. No mínimo, a taxa de transferência de massa da bolha gasosa tanto ao meio líquido circundante como a organismos microbiológicos é uma função do gás de pressão dentro da bolha gasosa, a razão de volume para área gasosa da bolha gasosa, e o tempo de contato da bolha gasosa com o líquido circundante ou organismos microbiológicos. Aumentar a pressão dentro da bolha gasosa ou aumentar o tempo de contato da bolha gasosa com o líquido circundante ou organismos microbiológicos resulta em uma taxa de transferência de massa eficaz mais alta entre o substrato e os organismos microbiológicos. Diminuir a razão de volume para área de fluxo da bolha gasosa (isto é, reduzir o diâmetro das bolhas gasosas) resulta em uma taxa de transferência de massa eficaz mais alta entre a

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36/132 bolha gasosa e o liquido circundante. Fermentadores preferenciais de um ponto de vista de transferência de massa gerariam, portanto, um grande número de bolhas gasosas de diâmetro relativamente pequeno em uma pressão relativamente alta que são mantidas em contato próximo ou íntimo com o líquido circundante ou organismos microbiológicos por um período de tempo estendido.

[054] São revelados no presente documento vários sistemas de fermentação, métodos, e aparelhos que têm capacidade de fornecer bolhas gasosas de pressão relativamente alta e diâmetro relativamente pequeno. São revelados no presente documento vários sistemas de fermentação, métodos, e aparelhos com capacidade de fornecer um tempo de contato estendido com o líquido circundante e/ou organismo (ou organismos) biológicos. Tais sistemas de fermentação, métodos, e aparelhos podem fornecer de modo vantajoso um sistema de fermentação de substrato gasoso altamente eficiente que podem ser particularmente úteis em converter compostos de Ci em mais compostos gasosos, líquido, e intracelulares C2 preferenciais e compostos mais altos ou estimular o crescimento de micro-organismos que contêm altas proporções de proteína.

[055] Conforme usado no presente documento, os termos substrato de Ci ou composto de Ci se referem a qualquer molécula que contém carbono ou composição que carece

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37/132 de uma ligação de carbono com carbono. As moléculas ou composições de Ci de amostra incluem metano, metanol, formaldeído, ácido fórmico ou um sal dos mesmos, monóxido de carbono, dióxido de carbono, gás de síntese, metilaminas (por exemplo, monometilamina, dimetilamina, trimetilamina), metiltióis, ou metilalogênios.

[056] Conforme usado no presente documento, o termo micro-organismo se refere a qualquer micro-organismo que tem a capacidade de usar um substrato gasoso como uma fonte de energia ou como sua fonte única de energia e biomassa, e pode ou não usar outros substratos de carbono (tais como açúcares e carboidratos complexos) para energia e biomassa. Exemplos de micro-organismos conforme usado no presente documento incluem as bactérias heterotróficas Ralstonia sp. (anteriormente Alcaligenes acidovorans) DB3 (cepa NCIMB 13287), Brevibacillus agri (anteriormente Bacillus firmus) DB5 (cepa NCIMB 13289) e Aneurinibacillus sp. (anteriormente Bacillus brevis) DB4 (cepa NCIMB 13288) que têm, cada um, crescimento ideal em uma temperatura de cerca de 45°C. Ralstonia sp. DB3 é uma haste móvel aeróbica gram-negativa pertencente à família Pseudomonadaceae que pode usar etanol, acetato, propionato e butirato para crescimento. Aneurinibacillus sp. DB4 é uma haste aeróbica formadora de endósporos gram-negativa pertencente ao gênero Bacillus que pode utilizar acetato, D-frutose, D-manose, ribose e D

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38/132 tagatose. Brevibacillus agri DB5 é uma haste aeróbica móvel formadora de endósporos gram-negativa do gênero Bacillus que pode utilizar acetato, N-acetil-glucosamina, citrato, gluconato, D-glicose, glicerol e manitol. Leveduras adequadas para uso nos processos da invenção podem ser selecionadas a partir do grupo que consiste em Saccharomyces e Candida.

[057] Se for desejado, os processos descritos no presente documento podem ser realizados com o uso de bactérias (ou leveduras) geneticamente modificados de modo a gerar um composto químico desejado que pode ser então extraído do fluido intercelular ou a biomassa coletada do reator. A literatura cientifica e de patente contém inúmeros exemplos de tais micro-organismos geneticamente modificados que incluem, inter alia, bactérias metanotróficas.

[058] Em pelo menos alguns casos de acordo com modalidades descritas no presente documento, os organismos microbiológicos usados para fermentar matérias-primas que contêm carbono gasoso empregam uma cultura que compreende primeiramente um micro-organismo não-fotossintético que metaboliza Ci. Tais sistemas de fermentação podem usar uma ou mais espécies de micro-organismos gue metabolizam Ci que são procariotas ou bactérias, tais como Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium, Methanomonas, Methylophilus,

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Methylobacillus, Methylobacterium, Hyphomicrobium, Xanthobacter, Bacillus, Paracoccus, Nocardia, Arthrobacter, Rhodopseudomonas ou Pseudomonas. Em alguns casos, as bactérias que metabolizam Ci podem incluir um metanotrofo ou a metilotrofo. Metanotrofos preferenciais incluem Metylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium, Methanomonas ou combinações dos mesmos. Metanotrofos exemplificativos incluem Methylomonas sp. 16a (ATCC PTA 2402), Methylosinus trichosporium (NRRL B-ll, 196), Methylosinus sporium (NRRL B-ll, 197), Methylocystis parvus (NRRL B-ll, 198), Methylomonas methanica (NRRL B-5 11,199), Methylomonas alb us (NRRL B-ll ,200), Methylobacter capsulatus (NRRL B11,201), Methylobacterium organophilum (ATCC 27,886), Methylomonas sp. AJ-3670 (FERM P-2400), Methylomicrobium alcaliphilum, Methylocella silvestris, Methylacidiphilum infernorum, Methylibium petroleiphilum, Methylosinus trichosporium OB3b, Methylococcus capsulatus Bath, Methylomonas sp. 16a, Methylomicrobium alcaliphilum 20Z, ou variantes de alto crescimento dos mesmos. Metilotrofos preferenciais incluem Methylobacterium extorquens, Methylobacterium radiotolerans, Methylobacterium populi, Methylobacterium chloromethanicum, Methylobacterium nodulans ou uma combinação dos mesmos.

[059] Micro-organismos com capacidade de

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40/132 metabolizar compostos de Ci encontrados em gás de síntese incluem, porém, sem limitação, Clostridium, Moorella, Pyrococcus, Eubacterium, Desulfobacterium, Carboxydothermus, Acetogenium, Acetobacterium, Acetoanaerobium, Butyribacterium, Peptostreptococcus ou combinações dos mesmos também podem ser usadas. Metilotrofos exemplificativos incluem Clostridium autoethanogenum, Clostridium Ij ungdahli, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxydivorans, Butyribacterium methylotrophicum, Clostridium woodii, Clostridium neopropanologen ou uma combinação dos mesmos. Em alguns casos, micro-organismos que metabolizam Ci são eucariotas tais como levedura, incluindo Candida, Yarrowia, Hansenula, Pichia, Torulopsis ou Rhodotorula.

[060] Em outros casos, o micro-organismo não fotossintético que metaboliza Ci é um micro-organismo não fotossintético que metaboliza Ci obrigatório, tal como um metanotrofo obrigatório, ou um metilotrofo. Em alguns casos, o micro-organismo não fotossintético que metaboliza Cl é um micro-organismo recombinante que compreende um polinucleotídeo heterólogo que codifica uma enzima que produz ácido graxo, uma enzima de assimilação de formaldeído ou uma combinação dos mesmos.

[061] Conforme usado no presente documento, os termos micro-organismo que metaboliza Ci ou micro

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41/132 organismo não fotossintético que metaboliza Ci se referem a qualquer micro-organismo que tem a capacidade de usar um único substrato de carbono (Ci) como uma fonte de energia ou as sua fonte única de energia e biomassa, e podem ou não usar outros substratos de carbono (tais como açúcares e carboidratos complexos) para energia e biomassa. Por exemplo, um micro-organismo que metaboliza Ci pode oxidar um substrato de Ci, tal como metano ou metanol. Micro-organismos que metabolizam Ci incluem bactérias (tais como Metanotrofos e Metilotrofos) e levedura. Em pelo menos alguns casos, um micro-organismo que metaboliza Ci não inclui um microorganismo fotossintético, tal como algas. Em determinadas modalidades, o micro-organismo que metaboliza Ci será um micro-organismo que metaboliza Ci obrigatório, significando que sua fonte única de energia compreende substratos Ci e nada mais.

[062] Conforme usado no presente documento, o termo bactérias metilotroficas se refere a quaisquer bactérias com capacidade de oxidar compostos orgânicos que não contêm ligações de carbono com carbono. Em determinadas modalidades, uma bactéria metilotrofica pode ser um metanotrofo. Por exemplo, bactérias metanotróficas se refere a quaisquer bactérias metilotroficas que tem a capacidade de oxidar metano como sua fonte primária de carbono e energia. Bactérias metanotróficas exemplificativas

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42/132 incluem Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium ou Methanomonas. Em determinadas outras modalidades, a bactéria metilotrófica é uma bactéria metilotrófica obrigatória, que se refere a bactérias que são limitadas ao uso de substratos de Ci para a geração de energia.

[063] Em uma modalidade especifica da invenção, o processo é realizado com o uso de bactérias metanotróficas do tipo descrito no documento n° WO 02/18617 para produzir carotenoides, por exemplo, antheraxantina, adonixantina, astaxantina, cantaxantina, zeaxantina e os outros carotenoides mencionados nas páginas 39 e 40 do documento n° WO 02/18617. Para essa finalidade, a bactéria metanotrófica Methylomonas 16a (ATCC PTA 2402) pode ser particularmente usada adequadamente. Carotenoides produzidos desse modo podem ser separados do meio de cultura liquido conforme descrito nos documentos n° WO 02/18617, n° WO 02/20728 e n° WO 02/20733.

[064] Conforme usado no presente documento, o termo gás de síntese se refere a uma mistura que inclui pelo menos monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H2) . Em pelo menos alguns casos, o gás de síntese também pode incluir CO2, metano, e outros gases em quantias menores relativas ao CO e H2. O gás de síntese pode ser preparado com o uso de qualquer processo disponível, incluindo, porém, sem

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43/132 limitação, um deslocamento de gás em água ou processo de gasificação de carvão.

[065] Conforme usado no presente documento, o termo crescimento é definido como qualquer aumento em massa celular. Isso pode ocorrer através de divisão celular (replicação) e a formação de novas células durante crescimento balanceado, ou durante crescimento não balanceado quando a massa celular aumenta devido ao acúmulo de um ou mais polímeros intracelulares ou intercelulares, tais como determinados lipídios. No último caso, o crescimento pode ser manifestado como um aumento no tamanho celular devido ao acúmulo de um biopolímero dentro da célula. Durante o crescimento de célula balanceado, todas as matérias-primas (doadores de elétron e receptores de elétron) e todos os nutrientes estão presentes nas razões necessárias para produzir todos os componentes macrocelulares de uma célula. Ou seja, nenhuma matéria-prima ou nutriente limita a síntese de proteínas, polímeros de carboidrato complexos, gorduras, ou ácidos nucleicos. Em contraste, durante crescimento de célula não balanceado, uma matéria-prima ou nutriente necessário para produzir uma ou mais de macromoléculas de uma célula não está presente em uma quantidade ou razão necessária para crescimento balanceado. Consequentemente, essa matéria-prima ou nutriente se torna limitador e é denominado como um

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44/132 nutriente limitador.

[066] Algumas células podem alcançar ainda crescimento líquido sob condições não balanceadas, mas o crescimento é não balanceado e produtos químicos que podem ser sintetizados na ausência da matéria-prima ou nutriente limitador se acumularão. Esses produtos químicos incluem polímeros, tais como lipídios ou produtos de armazenamento intracelular, por exemplo, os poli-hidroxialcanoatos (PHAs), incluindo poli-hidroxibutirato (PHB), poli-hidroxivalerato (PHV), e poli-hidroxihexanoato (PHHx)-glicogênio, ou materiais secretados, tais como polissacarídeo extracelular. Tais produtos químicos são úteis na produção de bioplásticos.

[067] Condições de crescimento balanceado e não balanceado de amostra pode divergir do teor de nitrogênio no meio. Por exemplo, nitrogênio constitui cerca de 12% de peso de célula seca, que significa que 12 mg/L de nitrogênio precisa ser suprido (junto com uma matéria-prima e outros nutrientes nas razões estequimétricas necessárias) para crescer 100 mg/L de peso de célula seca. Se outra matériaprima e nutrientes estiverem disponíveis nas quantidades necessárias para produzir 100 mg/L de peso de célula seca, mas menos do que 12 mg/L de nitrogênio é fornecido, então o crescimento de célula não balanceado pode ocorrer, com acúmulo de produtos químicos que não contêm nitrogênio. Se nitrogênio for subsequentemente fornecido, o produto químico

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45/132 armazenado pode servir como matéria-prima para a célula, permitindo o crescimento balanceado, com replicação e produção de novas células.

[068] Conforme usado no presente documento, o termo ciclo de crescimento conforme aplicado a uma célula ou micro-organismo se refere ao ciclo metabólico através do qual uma célula ou micro-organismo se move em condições de cultura. Por exemplo, o ciclo pode incluir vários estágios, tais como uma fase de latência, uma fase exponencial, o fim da fase exponencial e uma fase estacionária.

[069] Conforme usado no presente documento, o termo crescimento exponencial, crescimento de fase exponencial, fase de log ou crescimento de fase de log se referem à taxa na qual micro-organismos crescem e se dividem. Por exemplo, durante fase de log, micro-organismos crescem em sua taxa máxima dado seu potencial genético, a natureza do meio, e as condições sob as quais as mesmas crescem. A taxa de micro-organismos de crescimento é constante durante a fase exponencial e o micro-organismo se divide e duplica em número em intervalos regulares. Células que estão crescendo ativamente são aquelas que crescem na fase de log. Em contraste, fase estacionária se refere ao ponto no ciclo de crescimento durante o qual o crescimento celular de uma cultura retarda ou mesmo cessa.

[070] Conforme usado no presente documento, o termo

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46/132 variante de alto crescimento se refere a um organismo, micro-organismo, bactéria, levedura, ou célula com capacidade de crescimento com um substrato de Ci, tais como metano ou metanol, como o carbono único e fonte de energia e que tem uma taxa de crescimento de fase exponencial que é mais rápida do que o organismo percursor, referência ou tipo selvagem, micro-organismo, bactéria, levedura, ou célula que é, a variante de alto crescimento tem um tempo de duplicação mais rápido e consequentemente uma alta taxa de crescimento

e rendimento	de massa	celular por grama	de substrato	de Ci
metabolizado	conforme	comparado a uma	célula percursora
( consul tar ,	por exemplo, Documento de	Patente n°	U.S.
6.689.601).
[071]	Conforme	usado no presente	documento, o	termo

biocombustível se refere a um combustível pelo menos parcialmente derivado de biomassa.

[072] Conforme usado no presente documento, o termo biomassa ou material biológico se refere a material orgânico que tem uma origem biológica, que pode incluir uma ou mais dentre células inteiras, células lisadas, material extracelular ou similares. Por exemplo, o material coletado de um micro-organismo cultivado (por exemplo, cultura bacteriana ou de levedura) é considerado a biomassa, que pode incluir células, membranas celulares, citoplasma celular, corpos de inclusão, produtos secretados ou

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47/132 excretados no meio de cultura, ou qualquer combinação dos mesmos. Em determinadas modalidades, a biomassa compreende os micro-organismos que metabolizam Ci desta revelação junto com o meio da cultura no qual os micro-organismos que metabolizam Ci desta revelação foram desenvolvidos. Em outras modalidades, a biomassa compreende micro-organismos que metabolizam Ci (totalmente ou lisado ou ambos) desta revelação recuperados de uma cultura crescida em um Ci (por exemplo, gás natural, metano) . Em ainda outras modalidades, a biomassa compreende o sobrenadante de meio gasto ou gases excretados ou secretados de uma cultura de cultura de microorganismo que metaboliza Ci em um substrato de Ci. Tal cultura pode ser considerada um recurso renovável.

[073] Conforme usado no presente documento, o termo biorrefinaria se refere a uma instalação que integra processos de conversão de biomassa e equipamento para produzir combustíveis e/ou outros produtos químicos da biomassa.

[074] Conforme usado no presente documento, composição de óleo se refere ao teor lipídico de uma biomassa (por exemplo, cultura bacteriana), que inclui ácidos graxos, ésteres de ácido graxo, triglicerídeos, fosfolipídios, poli-hidroxialcanoatos, isoprenos, terpenos ou similares. Uma composição de óleo de uma biomassa pode ser extraída do resto dos materiais de biomassa, tais como

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48/132 por hexano ou extração de clorofórmio. Adicionalmente, uma composição de óleo pode ser encontrada em qualquer uma ou mais áreas de uma cultura, incluindo a membrana celular, citoplasma celular, corpos de inclusão, secretados ou excretados no meio de cultura, ou qualquer combinação dos mesmos. Uma composição de óleo não é nem gás natural nem petróleo bruto.

[075] Conforme usado no presente documento, o termo refinaria se refere a uma refinaria de óleo, ou aspectos dos mesmos, nos quais as composições de óleo (por exemplo, biomassa, biocombustível, ou combustíveis fósseis, tais como óleo bruto, carvão ou gás natural) podem ser processados. Processos de amostra realizados em tais refinarias incluem craqueamento, transesterificação, reforma, destilação, hidroprocessamento, isomerização ou qualquer combinação dos mesmos.

[076] Conforme usado no presente documento, os termos recombinante ou não natural se referem a um organismo micro-organismo, célula, molécula de ácido nucleico, ou vetor que tem pelo menos uma alteração genética ou foi modificada pela introdução de uma molécula de ácido nucleico heteróloga, ou se refere a uma célula que foi alterada de modo que a expressão de uma molécula de ácido nucleico endógena ou gene pode ser controlada. Recombinante também se refere a uma célula que é derivada de uma célula

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49/132 que tem uma ou mais tais modificações. Por exemplo, células recombinante pode expressar genes ou outras moléculas de ácido nucleico que não são encontradas em forma idêntica dentro da célula nativa (isto é, célula não modificada ou de tipo selvagem), ou pode fornecer um padrão de expressão alterada de genes endógenos, tais genes que pode ser de outro modo sobre-expressos, subexpressos, minimamente expressos, ou não expressos de forma alguma. Em outro exemplo, modificações genéticas às moléculas de ácido nucleico que codificam enzimas ou fragmentos funcionais dos mesmos podem fornecer reação (ou reações) bioquímicas ou capacidades de via metabólica a um micro-organismo recombinante ou célula que é nova ou alterada de seu estado naturalmente ocorrente.

[077] Conforme usado no presente documento, o termo molécula de ácido nucleico heteróloga, construto ou sequência se refere a uma molécula de ácido nucleico ou porção de uma molécula de ácido nucleico sequência que não é nativa a uma célula na qual a mesma é expressa ou é uma molécula de ácido nucleico com uma expressão alterada conforme comparado aos níveis de expressão nativa de maneira similar. Por exemplo, uma sequência de controle heteróloga (por exemplo, promotor, intensificador) pode ser usado para regular a expressão de um gene ou uma molécula de ácido nucleico de tal modo que é diferente do gene ou uma molécula de ácido nucleico é normalmente expressa em natureza ou

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50/132 cultura. Em geral, moléculas de ácido nucleico heteróloga não são endógenas à célula ou parte do genoma no qual os mesmos estão presentes, e foram adicionados à célula por conjugação, transformação, transfecção, eletroporação ou similares.

[078] Conforme usado no presente documento, o termo vertical se refere a uma direção que é alinhada com o vetor de gravidade na localização em questão.

[079] Conforme usado no presente documento, o termo horizontal se refere a uma direção que é perpendicular ao vetor de gravidade na localização em questão.

[080] Conforme usado no presente documento, o termo não vertical se refere a uma direção que é horizontal (isto é, perpendicular a vertical) ou 20° ou mais da vertical, por exemplo, mais do que 20°, 25°, 30°, 35°, 40°, 45°, 50°, 55°, 60°, 65°, 70°, 75°, 80° ou 85° da vertical.

[081] Conforme usado no presente documento, a frase substancialmente vertical se refere a uma direção que está dentro de 20° ou menos da vertical.

[082] Conforme usado no presente documento, a frase substancialmente horizontal se refere a uma direção que está dentro de 10° ou menos da horizontal.

[083] Os sistemas para fermentação da presente revelação podem incluir unidades separadas (por exemplo, unidades de processamento ou sistemas que são dispostos em

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51/132 grande proximidade ou adjacentes entre si, ou não), unidades integradas, ou o próprio sistema pode ser interconectado e integrado. Os sistemas desta revelação podem usar pelo menos uma matéria-prima de fase gasosa, incluindo um ou mais compostos de Ci, oxigênio e/ou hidrogênio. Em determinadas modalidades, o sistema de fermentação usa um micro-organismo que metaboliza Ci (por exemplo, um metanotrofo tal como Methylosinus tríchosporíum OB3b, Methylococcus capsulatus Bath, Methylomonas sp. 16a, Methylomicrobium alcaliphilum 20Z, ou variantes de alto crescimento ou combinações dos mesmos) como o micro-organismo primário na cultura de fermentação.

[084] Uma variedade de metodologias de cultura pode ser usada para o micro-organismo, bactérias e levedura descritas no presente documento. Por exemplo, microorganismos que metabolizam Cl, tais como bactérias metanotróficas ou metilotróficas, podem ser desenvolvidas por cultura de batelada e metodologias de cultura contínua. Em geral, células em fase de log são frequentemente responsáveis para a produção em volume de um produto ou intermediário de interesse em alguns sistemas, enquanto produção estacionária ou pós-fase exponencial pode ser obtida em outros sistemas.

[085] Um método de cultivo de batelada clássico é um sistema fechado no qual a composição de meio é definida

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52/132 quando a cultura é iniciada e não é alterada durante o processo de cultura. Ou seja, o meio é inoculado no inicio do processo de cultivo com um ou mais micro-organismos de escolha e então é permitido a crescer sem adicionar microorganismos adicionais ao sistema. Conforme usado no presente documento, uma cultura de batelada se dá em referência a não mudar a quantidade de uma fonte de carbono particular inicialmente adicionada, enquanto o controle de fatores tais como pH e concentração de oxigênio e/ou hidrogênio pode ser monitorada e alterada durante a cultura. Em sistemas de batelada, metabolito e composições de biomassa do sistema mudam constantemente até o tempo que a cultura terminou. Dentro das culturas de batelada, células (por exemplo, bactérias tais como metilotrofos) se moverão geralmente de uma fase de latência estática a uma fase logaritmica de alto crescimento a uma fase estacionária em que a taxa de crescimento é reduzida ou parada (e causará eventualmente a morte celular se as condições não mudarem).

[086] Um sistema de batelada alimentada é uma variação no sistema de batelada padrão no qual um substrato de carbono de interesse é adicionado em acréscimos à medida que a cultura progride. Sistemas de batelada alimentada são úteis quando o metabolismo celular é propenso a ser inibido por repressão de catabólitos e quando for desejável ter quantidades limitadas de substrato no meio. Visto que é

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53/132 difícil medir a concentração de substrato real em sistemas de batelada alimentada, é feita uma estimativa com base em mudanças de fatores mensuráveis tais como pH, oxigênio dissolvido, e a pressão parcial de gases de refugo. Métodos de cultivo de batelada ou de batelada alimentada são comuns e conhecidos na técnica (consultar, por exemplo, Thomas D. Brock, Biotechnology: A Textbook of Industrial Microbiology, 2° Ed. (1989) Sinauer Associates, Inc., Sunderland, MA; Deshpande, 1992, Appl. Biochem. Biotechnol. 36:227) .

[087] Culturas continuas são sistemas abertos no sentido de que meio de cultura definida é continuamente adicionado a um biorreator enquanto uma quantidade igual de meio usado (condicionado) é removido simultaneamente para processamento. Culturas continuas geralmente mantém as células em uma alta densidade de fase liquida constante em que células são primeiramente em fase de crescimento logaritmico. Alternativamente, cultura continua pode ser praticada com células imobilizadas (por exemplo, biofilme) em que carbono e nutrientes são continuamente adicionados e produtos valiosos, subprodutos, e produtos de refugo são continuamente removidos da massa celular. A imobilização de célula pode ser alcançada com uma ampla faixa de suportes sólidos compostos de materiais naturais, materiais sintéticos ou uma combinação dos mesmos.

[088] Cultura continua ou semicontinua permite a

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54/132 modulação de um ou mais fatores que afetam o crescimento celular ou concentração de produto de extremidade. Por exemplo, um método pode manter um nutriente limitado em uma taxa fixa (por exemplo, fonte de carbono, nitrogênio) e permitir que todos os outros parâmetros mudem ao longo do tempo. Em outras modalidades, vários fatores que afetam o crescimento podem ser continuamente alterados enquanto a concentração celular, conforme medido pela turbidez de meio, é mantida constante. A meta de um sistema de cultura contínua é para manter as condições de crescimento de estado imediato enquanto equilibra a perda celular devido ao meio que é retirado contra a taxa de crescimento celular. Métodos de modulação de nutrientes e fatores de crescimento para processos de cultura contínua e técnicas para maximizar a

taxa de	formação	de produto	são conhecidos na	técnica
(consultar Brock,	1992).
[089	] Em	determinadas	modalidades, o	meio de
cultura inclui um	substrato de	carbono como uma	fonte de

energia para um micro-organismo que metaboliza Ci. Substratos adequados incluem substratos de Ci, tais como metano, metanol, formaldeído, ácido fórmico (formato), monóxido de carbono, dióxido de carbono, aminas metiladas (metilamina, dimetilamina, trimetilamina, etc.), tiols metilados, ou halogênios de metila (bromometano, clorometano, iodometano, diclorometano, etc.) . Em determinadas modalidades, o meio de

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55/132 cultura pode compreender um único substrato de Ci como a única fonte de carbono para um micro-organismo que metaboliza Cl, ou pode compreender uma mistura de dois ou mais substratos de Ci (composição de substrato de Cl misturada) como múltiplas fontes de carbono para um micro-organismo que metaboliza Cl.

[090] Adicionalmente, alguns organismos que metabolizam Ci são conhecidos por utilizar substratos não de Ci, tais como açúcar, glucosamina ou uma variedade de aminoácidos para atividade metabólica. Por exemplo, algumas espécies de Candida podem metabolizar alanina ou ácido oleico (Suiter et al. , Arch. Microbiol. 153:485-489, 1990) . Methylobacterlum extorquens AM1 tem capacidade de crescimento em um número limitado de substratos de C2, C3, e C4 (Van Dien et al., Microbiol. 149:601-609, 2003). Alternativamente, um micro-organismo gue metaboliza Ci pode ser uma variante recombinante que tem a capacidade de utilizar substratos de carbono alternativos. Portanto, é contemplado que uma fonte de carbono no meio de cultura pode compreender uma mistura de substratos de carbono, com compostos de carbono único ou múltiplos carbonos, dependendo do micro-organismo que metaboliza Ci selecionado.

[091] Em determinadas modalidades, a presente revelação fornece um método para produzir combustível, que compreende converter biomassa de uma cultura que compreende

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56/132 primeiramente um micro-organismo não fotossintético que metaboliza Cl em uma composição de óleo e que refina a composição de óleo em um combustível. Em determinadas modalidades, o micro-organismo não fotossintético que metaboliza Cl é um micro-organismo não fotossintético que metaboliza Ci obrigatório, tal como um metanotrofo obrigatório, ou um metilotrofo. Em modalidades adicionais, o micro-organismo não fotossintético que metaboliza Cl é um micro-organismo recombinante que compreende um polinucleotídeo heterólogo que codifica uma enzima que produz ácido graxo, uma enzima de assimilação de formaldeído ou uma combinação dos mesmos. Em modalidades adicionais, a composição de óleo é derivada ou extraída da membrana celular do micro-organismo não fotossintético que metaboliza Ci, tal como um metilotrofo ou metanotrofo.

[092] Em determinadas modalidades, a presente revelação fornece um método para produzir combustível refinando-se uma composição de óleo em uma unidade de refinamento para produzir combustível, em que a composição de óleo é derivada de um micro-organismo não fotossintético que metaboliza Cl, tal como um metilotrofo ou metanotrofo. Em modalidades adicionais, o método compreende adicionalmente o uso de uma unidade de processamento para extrair a composição de óleo do micro-organismo não fotossintético que metaboliza Cl. Em ainda mais modalidades,

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57/132 o método compreende (a) cultivar bactérias que metabolizam Cl na presença de uma matéria-prima que compreende um substrato de Cl em uma unidade de cultura controlada, em que as bactérias cultivadas produzem uma composição de óleo; (b) extrair a composição de óleo das bactérias cultivadas em uma unidade de processamento; e (c) refinar a composição de óleo extraída em uma unidade de refinamento para produzir combustível. Em determinadas modalidades, o substrato de Cl de matéria prima é metano, metanol, formaldeído, ácido fórmico, monóxido de carbono, dióxido de carbono, uma metilamina, um metiltiol, ou um metilalogênio.

[093] Em determinadas modalidades, a presente revelação fornece um método para produzir produtos naturais, tais como etanol, acetato, butanol, proteína de célula única, açúcares, ou outros metabolites ou produtos celulares em que o produto natural é derivado de um micro-organismo não fotossintético que metaboliza Ci, tal como um metilotrofo ou metanotrofo.

[094] Em modalidades adicionais, o método compreende adicionalmente o uso de uma unidade de processamento para extrair o produto natural do microorganismo não fotossintético que metaboliza Cl.

[095] Em ainda outras modalidades, o método compreende (a) cultivar bactérias que metabolizam Ci na presença de uma matéria-prima que compreende um substrato de

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Ci em uma unidade de cultura controlada, em que as bactérias cultivadas produzem um produto natural; (b) extrair o produto natural das bactérias cultivadas em uma unidade de processamento; e (c) refinar o produto natural para produzir um produto comercial. Em determinadas modalidades, o substrato de Cl de matéria prima é metano, metanol, formaldeído, ácido fórmico, monóxido de carbono, dióxido de carbono, uma metilamina, um metiltiol, ou um metilalogênio.

[096] Em determinadas modalidades, a presente revelação fornece um método para produzir produtos naturais ou não naturais, tais como etanol, acetato, butanol, isopreno, propileno, farneseno, enzimas, ou outros metabolites ou produtos celulares em que o produto é derivado de um micro-organismo não fotossintético que metaboliza Ci geneticamente manipulado, tais como um metilotrofo ou metanotrofo que foi transformado com uma sequência de nucleotídeo heteróloga. Em modalidades adicionais, o método compreende adicionalmente o uso de uma unidade de processamento para extrair o produto do micro-organismo não fotossintético que metaboliza Ci geneticamente manipulado. Em ainda mais modalidades, o método compreende (a) cultivar bactérias que metabolizam Cl geneticamente manipuladas na presença de uma matéria-prima que compreende um substrato de Cl em uma unidade de cultura controlada, em que as bactérias cultivadas produzem um produto natural; (b) extrair o produto

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59/132 natural das bactérias cultivadas em uma unidade de processamento; e (c) refinar o produto natural para produzir um produto comercial. Em determinadas modalidades, o substrato de Cl de matéria prima é metano, metanol, formaldeído, ácido fórmico, monóxido de carbono, dióxido de carbono, uma metilamina, um metiltiol, ou um metilalogênio.

[097] Em determinadas modalidades, a presente revelação fornece um método para produzir produtos naturais ou não naturais, tais como etanol, acetato, butanol, isopreno, propileno, farneseno, enzimas, ou outros metabólitos ou produtos celulares em que o produto é derivado de um micro-organismo que não metaboliza Ci, tal como Escherichia coli, Saccaromyces cerevisiae, ou outro microorganismo de produção comum. Em determinadas modalidades, a matéria-prima substrato é glicose, sacarose, glicerol, celulose ou outras matérias-primas de múltiplos carbonos.

[098] Um reator de ciclo ilustrado na Figura 1 do documento de Patente n° U.S. 7.579.163 é descrito como incluindo uma zona de fluxo descendente substancialmente vertical 3 e uma zona de fluxo ascendente substancialmente vertical 5 separada por uma zona substancialmente horizontal 4 que começa no fundo da zona de fluxo descendente substancialmente vertical 3 e termina no início da zona de fluxo ascendente substancialmente vertical 5. A presença da zona de fluxo descendente substancialmente vertical 3 e da

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60/132 zona de fluxo ascendente substancialmente vertical 5 resulta em uma distância vertical entre a superfície de líquido e gás 22 na extremidade da zona de fluxo externo 6 e a linha central do reator de ciclo na zona horizontal 4. A patente '163 descreve que essa distância vertical é pelo menos 10 metros ou (32,8 pés). A distância que meio líquido flui para cima através da seção de fluxo ascendente vertical 5 a uma localização em que o mesmo entra na seção de separação de meio de reação de gás/líquido efluente horizontal 6 depende do aumento na seção substancialmente plural 4 do ciclo e do aumento na seção de separação de meio de reação de gás/líquido efluente substancialmente horizontal 6. A presença de uma zona de fluxo descendente substancialmente vertical e uma zona de fluxo ascendente substancialmente vertical de comprimento suficiente para acomodar uma distância vertical entre a superfície de líquido e gás 22 na extremidade de uma zona de fluxo externo 6 e a linha central do reator de ciclo na zona horizontal 4 na ordem de 10 metros contribui significativamente para o custo geral de projetar e fabricar um reator de ciclo com essas zonas. Por exemplo, os custos associados ao projeto e fabricação de estruturas necessárias para suportar fisicamente as zonas verticais de fluxo descendente e fluxo ascendente altas o suficiente para acomodar distâncias verticais entre a superfície de líquido e gás 22 na extremidade da zona de fluxo externo 6 e a linha

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61/132 central do reator de ciclo na zona horizontal 4 na ordem de 10 metros contribui significativamente para o custo geral de projeto, construção e manutenção de um reator de ciclo que inclui tais zonas. Os reatores de ciclo com zonas verticais de fluxo ascendente e fluxo descendente na ordem de 10 metros de altura necessitam de construções nos quais tais reatores são alojados para ter folga vertical suficiente para acomodar tais zonas de fluxo ascendente e fluxo descendente verticais altas.

[099] A Figura 2 mostra um sistema 200 exemplificativo para estimular a produção de biomassa que

inclui um	reator	de	ciclo 101	junto com	um subsistema	de
separação	250,	um	subsistema	térmico	opcional	270	e
subsistema	de controle opcional	290. Embora	mostrado	como	um

sistema integrado 200, os subsistemas opcionais podem ser instalados ou de outro modo combinados com o reator de ciclo 101 tanto individualmente como em qualquer combinação. Um ou mais líquidos e um ou mais substratos gasosos são introduzidos ao reator de ciclo 101 para formar uma mistura de múltiplas fases com um meio de cultura líquido que se desloca através do reator de ciclo 101. Após a passagem através do reator de ciclo 101, a mistura de múltiplas fases pode conter um ou mais compostos produzidos pelos organismos biológicos dentro do reator de ciclo 101, nutrientes não consumidos e outros compostos no líquido dentro da mistura

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62/132 de múltiplas fases, gases não consumidos nas bolhas gasosas dentro da mistura de múltiplas fases, e organismos microbiológicos na forma de biossólidos. Organismos microbiológicos em excesso podem ser removidos do reator de ciclo 101 como biomassa tanto de modo intermitente como de modo contínuo. Acúmulos de biomassa dentro do reator de ciclo 101 podem ser removidos para manter a biomassa geral dentro do reator de ciclo 101 dentro de uma faixa definida ou acima ou abaixo de um limiar definido. Em pelo menos alguns casos, a biomassa removida do reator de ciclo 101 pode incluir um ou mais compostos úteis. Por exemplo, os organismos biológicos dentro da biomassa excessiva podem conter uma quantidade de um ou mais lipídios intracelulares ou compostos similares úteis na produção de um biocombustível tal como biodiesel ou produtos que contêm proteína.

[100] O um ou mais líquidos pode incluir qualquer líquido adequado para prolongar ou entregar um ou mais nutrientes aos organismos microbiológicos dentro do reator de ciclo 101. Tais líquidos podem incluir, porém, sem limitação, soluções que contêm água, um ou mais álcoois, minerais, um ou mais compostos que contêm nitrogênio, um ou mais compostos que contêm fósforo, e similares. Em pelo menos alguns casos, um ou mais movedores de fluido são usados para entregar o um ou mais líquidos ao reator de ciclo 101 de maneira controlada e pressão. O um ou mais movedores de

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63/132 fluido podem incluir qualquer tipo de bomba ou dispositivo similar com capacidade de transferir um liquido entre dois pontos. Movedores de fluido exemplificativos incluem, porém, sem limitação, bombas centrifugas, bombas de deslocamento positivo, bombas de cavidade progressiva, bombas de diafragma duplo, bombas de impulsor, bombas axiais, bombas de fluxo misturado e similares. Outros movedores de fluido ilustrativos incluem, porém, sem limitação, edutores, ejetores, e dispositivos similares. A transferência de liquido ao reator de ciclo 101 pode ser de fluxo controlado, de pressão controlada, ou controlada com o uso de combinações de pressão, temperatura, fluxo, nível, taxa de fluxo, velocidade superficial, ou dados variáveis de processo de análise composicional reunidos por um ou mais pontos dentro do reator de ciclo 101 ou de um ou mais pontos dentro do sistema 200. Em pelo menos alguns casos, a transferência de líquido pelo movedor de fluido pode ser controlada com base na concentração medida de um ou mais componentes ou compostos (por exemplo, um ou mais nutrientes que contêm carbono ou contêm nitrogênio) dentro do reator de ciclo 101; por exemplo, o fluxo de líquido transferido pelo movedor de fluido pode ser aumentado em resposta a uma diminuição medida em concentração de nutriente dentro do reator de ciclo 101.

[101] O um ou mais substratos gasosos podem incluir qualquer gás, gases, ou combinação de gases adequada para

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64/132 prolongar ou entregar um ou mais nutrientes aos organismos biológicos dentro do reator de ciclo 101. Tais gases podem incluir, porém, sem limitação, um ou mais gases que contêm compostos de carbono. Tais gases podem incluir, porém, sem limitação, um ou mais gases que contêm compostos de carbono Ci tais como metano ou monóxido de carbono. Os um ou mais substratos gasosos também pode incluir um ou mais gases usados nos processos metabólicos dos organismos biológicos dentro do reator de ciclo 101. Tais gases podem incluir, porém, sem limitação, oxigênio, compostos que contêm oxigênio e hidrogênio. O um ou mais substratos gasosos podem ser transferidos ao reator de ciclo 101 como um gás puro ou como uma mistura gasosa (por exemplo, gás de síntese, uma mistura de monóxido de carbono e hidrogênio). O um ou mais substratos gasosos podem ser transferidos ao reator de ciclo 101 individualmente (por exemplo, metano e um gás que contêm oxigênio tal como ar pode ser transferido individualmente para minimizar a probabilidade de formação de uma mistura gasosa explosiva externa ao reator de ciclo 101).

[102] O um ou mais substratos gasosos podem ser opcionalmente transferidos ao reator de ciclo 101 com o uso de um movedor de gás. Movedores de gás exemplificativos incluem, porém, sem limitação, compressores de lóbulo giratório, compressores centrífugos, compressores de parafuso e similares. A pressão de entrega do um ou mais

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65/132 substratos gasosos depende de uma variedade de fatores incluindo a pressão operacional do reator de ciclo 101 e a queda de pressão associada ao distribuidor de gás usado para distribuir o um ou mais substratos gasosos dentro do reator de ciclo 101. De modo similar, a taxa de fluxo de entrega do um ou mais substratos gasosos pode ser manual ou automaticamente controlada para manter a concentração ou nível de gás dissolvido dentro do reator de ciclo 101 dentro de uma faixa definida (por exemplo, oxigênio dissolvido acima de pelo menos 4 ppm) com base pelo menos em parte nas necessidades dos organismos biológicos presentes no reator de ciclo 101. Em pelo menos alguns casos, o um ou mais substratos gasosos podem ser entregues ao reator de ciclo 101 em um pressão de cerca de 0,03 MPa (5 psig) a cerca de 4,13 MPa (600 psig); de cerca de 0,17 MPa (25 psig) a cerca de 2,75 MPa (400 psig); ou de cerca de 0,34 MPa (50 psig) a cerca de 2,06 MPa (300 psig).

[103] Qualquer número de gases pode ser introduzido através de um cabeçalho de distribuição de gás comum ou qualquer número de cabeçalhos de distribuição de gás individuais. Tais cabeçalhos de distribuição de gás podem introduzir todo o substrato gasoso em um ponto único dentro do reator de ciclo 101 ou pode introduzir porções do substrato gasoso em várias localizações por todo o reator de ciclo 101. Em pelo menos alguns casos, o substrato gasoso

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66/132 pode incluir, porém, sem limitação, metano, monóxido de carbono, hidrogênio, ou oxigênio. Em pelo menos alguns casos, a taxa de alimentação do substrato gasoso pode ser referenciada à taxa de alimentação do meio líquido. Por exemplo, metano pode ser introduzido como um substrato gasoso em uma taxa de cerca de 0,1 gramas de metano/litro de meio líquido (g/l) a cerca de 100 g/l; de cerca de 0,5 g/l a cerca de 50 g/l; ou de cerca de 1 g/l a cerca de 25 g/l. Monóxido de carbono (CO) pode ser introduzido como um substrato gasoso 204 em uma taxa de cerca de 0,1 gramas de CO/litro de meio liquido (g/l) a cerca de 100 g/l; de cerca de 0,5 g/l a cerca de 50 g/l; ou de cerca de 1 g/l a cerca de 25 g/l. Oxigênio pode ser introduzido como um substrato gasoso 204 em uma taxa de cerca de 1 grama de oxigênio/litro de meio líquido (g/l) a cerca de 100 g/l; de cerca de 2 g/l a cerca de 50 g/l; ou de cerca de 5 g/l a cerca de 25 g/l. Hidrogênio pode ser introduzido como um substrato gasoso 204 em uma taxa de cerca de 0,01 grama de hidrogênio/litro de meio líquido (g/l) a cerca de 50g/l; de cerca de 0,1 g/l a cerca de 25 g/l; ou de cerca de 1 g/l a cerca de 10 g/l.

[104] Dentro do reator de ciclo 101, os organismos microbiológicos metabolizarão pelo menos uma porção dos compostos que contêm carbono presentes na mistura de múltiplas fases. Pelo menos uma porção desse processo pode incluir a produção de organismos microbiológicos adicionais

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67/132 que aumentam a quantidade geral de biomassa presente no reator de ciclo 101. Deixada sem controle, a biomassa dentro do reator de ciclo 101 pode acumular a um ponto de modo que um ou mais aspectos operacionais do reator de ciclo 101 (por exemplo, taxa de fluxo, queda de pressão, produção de produtos desejados, etc.) é comprometida ou afetada de modo adverso pela presença da biomassa excessiva. Em tais exemplos, a capacidade de remover pelo menos uma porção da biomassa presente no reator de ciclo 101 é desejável. Em pelo menos alguns casos, a biomassa se acumula preferencialmente em uma localização dentro de um recipiente de separação de gás/líquido (102 na Figura 3) facilitando a remoção de biossólidos do reator de ciclo 101 por meio da pelo menos uma porta de remoção de biomassa (128 na Figura 3). A biomassa removida pode ser entregue ao subsistema de separação 250 em que a biomassa pode ser adicionalmente processada e produtos desejáveis recuperados da biomassa. Tal produto recuperado pode ser usável conforme recuperado ou pode servir como uma matéria-prima para processamento adicional que produz um produto diferente.

[105] Em pelo menos alguns casos, todo ou uma porção do processo de produção de biomassa pode ser pelo menos parcialmente controlado automaticamente com o uso de um subsistema de controle 290. O subsistema de controle 290 pode coletar informações relacionadas a processo fornecido

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68/132 por um ou mais elementos de processo na forma de sinais que contêm dados análogos ou digitais que representam um ou mais variáveis de processo. Por exemplo, o subsistema de controle pode coletar informações relacionadas a processo com o uso de um ou mais elementos de processo que incluem, porém, sem limitação, sensores de fluxo de massa, sensores de fluxo volumétrico, sensores de temperatura, sensores de pressão, sensores de nível, sensores analíticos (por exemplo, sensores de oxigênio dissolvido, demanda de oxigênio biológico ou sensores BOD, sensores de pH, sensores de condutividade, e similares) ou qualquer outro dispositivo com capacidade de fornecer um sinal que contém dados representativos de um ou mais condições relacionadas a processo dentro do reator de ciclo 101.

[106] O subsistema de controle 290 pode executar um ou mais conjuntos de instruções que controlam, alteram ou ajustam um ou mais aspectos do processo de fermentação com base pelo menos em parte nos sinais variáveis de processo recebidos dos elementos de processo. Tais instruções pode resultar na geração de um ou mais sinais de saída de controle pelo subsistema de controle 290. Os sinais de saída de controle podem ser transmitidos do subsistema de controle 290 a um ou mais elementos de controle final, tais como válvulas de bloqueio, válvulas de controle, motores, acionadores de velocidade variável, etc. A interação entre

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69/132 os elementos de controle final e o processo de fermentação pode, por sua vez, fornecer ao subsistema de controle 290 um alto grau de controle relativamente preciso do processo de produção de biomassa.

[107] Por exemplo, em resposta ao recebimento de um ou mais sinais que contêm dados indicativos da temperatura da mistura de múltiplas fases no reator de ciclo 101, o subsistema de controle 290 pode iniciar, alterar, ou cessar o fluxo de meio de transferência térmica a uma operação unitária de transferência de calor. De modo similar, em resposta ao recebimento de um ou mais sinais que contêm dados indicativos do nivel de oxigênio dissolvido da mistura de múltiplas fases no reator de ciclo 101, o subsistema de controle 290 pode aumentar, diminuir, ou manter o fluxo do substrato gasoso que contêm oxigênio ao reator de ciclo 101. Embora somente dois exemplos ilustrativos são fornecidos no presente documento, qualquer fluxo, nivel, pressão, valor analítico, ou similares que é apropriado ao processo de fermentação pode ser controlado de modo similar pelo subsistema de controle 290 com o uso de um ou mais sensores de processo apropriados e um ou mais elementos de controle final apropriados.

[108] A Figura 3 mostra um sistema exemplificativo 100 para estimular a produção de biomassa. O sistema exemplificativo 100 inclui um reator de ciclo 101 que inclui

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70/132 uma operação unitária de separação de gás/liquido 102 (por exemplo, um recipiente de separação de gás/liquido ou outro equipamento com capacidade de separar líquidos e gases de uma mistura de múltiplas fases de meio de cultura líquido que inclui micro-organismos e uma operação unitária de fluxo de fluido 104 (por exemplo, bomba ou outro dispositivo com capacidade de fazer com que um fluido se mova), uma seção de ciclo 106 e uma primeira zona de redução de pressão não vertical 108. Conforme usado no presente documento, a seção de ciclo 106 se refere a essa porção de reator de ciclo 101 que se estende da saída de operação unitária de fluxo de fluido 104 à operação unitária de separação de gás/liquido 102. Conforme ilustrado e descrito abaixo em mais detalhes abaixo, a seção de ciclo 106 inclui duas ou zonas de fluxo mais verticais. Em modalidades adicionais do sistema exemplificativo 100, reator de ciclo 101 pode incluir a primeira zona de redução de pressão não vertical 108 e/ou uma segunda zona de redução de pressão não vertical 113 a jusante da primeira zona de redução de pressão não vertical 108 adicionalmente às zonas de fluxo vertical descritas abaixo e ilustradas em referência às Figuras 4A a 4D e 5. O sistema 100 exemplificativo em modalidades adicionais inclui outros subsistemas, incluindo subsistema de suprimento de nutriente e/ou mineral 114 e operação (ou operações) unitárias de transferência de calor 116. O sistema 100

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71/132 exemplificativo estimula a produção de biomassa introduzindo-se substrato (ou substratos) gasoso e nutriente (ou nutrientes) a um meio de cultura líquido para formar uma mistura de múltiplas fases do meio de cultura líquido, substrato (ou substratos) gasoso e nutriente (ou nutrientes) supridos. Essa mistura de múltiplas fases flui através do reator de ciclo 101 pela ação de operação unitária de fluxo de fluido 104. O meio de cultura líquido inclui microorganismos com capacidade de converter substratos gasosos em produtos desejáveis, sendo que alguns dos quais podem ser recuperados dos micro-organismos ou da fase gasosa e/ou fase líquida que se formam na operação unitária de separação de gás/líquido 102. O substrato (ou substratos) gasoso e nutriente (ou nutrientes) podem ser entregues ao reator de ciclo 101 do subsistema de suprimento de nutriente 114, e o reator de ciclo 101 é operado sob condições que promovem a transferência de massa do substrato (ou substratos) gasoso e nutriente (ou nutrientes) ao meio de cultura líquido e aos micro-organismos. Nutrientes e minerais podem ser introduzidos em localizações diferentes das indicadas pelo subsistema de suprimento de nutriente/mineral 114. Por exemplo, minerais e/ou nutrientes podem ser supridos na operação (ou operações) unitárias de transferência de calor 116. O recipiente de separação de gás/líquido 102 recebe o meio de cultura líquido, incluindo quaisquer gases que

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72/132 permanecem no meio de cultura liquido, e gases que se separaram do meio de cultura liquido, e separa os mesmos em uma fase liquida e uma fase gasosa. A fase liquida separada da fase gasosa no recipiente de separação de gás/liquido 102 é removida do recipiente de separação de gás/liquido 102 e recebida pela operação unitária de fluxo de fluido 104.

[109] O sistema 100 exemplificative ilustrado na Figura 3 inclui uma seção de ciclo 106 que inclui duas ou zonas de fluxo mais verticais (ilustrados e descritos em referência às Figuras 4A a 4D e 5). Elementos do reator de ciclo 101 que incluem, porém, sem limitação, operação unitária de separação de gás/liquido 102 (por exemplo, um recipiente de separação de gás/liquido ou outro equipamento com capacidade de separar líquidos e gases de uma mistura de múltiplas fases de líquidos, gases e micro-organismos), operação unitária de fluxo de fluido 104 (por exemplo, bomba ou outro dispositivo com capacidade de fazer com que um fluido se mova), seção de ciclo 106, primeira zona de redução de pressão não vertical 108 e segunda zona de redução de pressão não vertical 113 podem ser uma estrutura metálica, não metálica ou compósita. Por exemplo, os elementos podem incluir um ou mais materiais metálicos, tais como aços inoxidáveis 304, 304L, 316, ou 316L. Em alguns casos, um ou mais revestimentos, camadas, sobreposições, insertos, ou outros materiais podem ser depositados, aplicados, unidos,

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73/132 ou formados integrais a todos ou uma porção das estruturas metálicas, não metálicas ou compósitas para afetar de modo benéfico ou prejudicial a capacidade de organismos microbiológicos de se fixarem aos mesmos ou crescerem nos mesmos. Por exemplo, um revestimento que inibe o crescimento ou fixação de organismos microbiológicos pode ser depositado ou formado integral com as superfícies do reator de ciclo 101 que são termicamente acopladas de modo condutivo à operação unitária de transferência de calor 116. Em outro exemplo, um revestimento que inibe o crescimento ou fixação de organismos biológicos pode ser depositado ou formado integral com as porções do reator de ciclo 101 em que é desejado alcançar a remoção de biomassa acumulada mais facilmente.

[110] Em pelo menos alguns casos, a construção de elementos de reator de ciclo 101 pode incluir recursos que facilitam a esterilização de todos ou uma porção das superfícies de contato de processo. Tal esterilização pode ser concluída, por exemplo, com o uso de esterilização de vapor, esterilização com ultravioleta, esterilização química ou combinações dos mesmos. Em pelo menos alguns casos, um ou mais materiais não metálicos ou um ou mais revestimentos não metálicos podem ser usados dentro de todo ou uma porção do interior ou exterior de alguns ou todos os elementos do reator de ciclo 101. O uso de tais materiais não-metálicos

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74/132 pode fornecer de modo vantajoso, por exemplo, superfícies esterilizáveis que têm capacidade de suportar ou promover crescimento biológico.

[111] 0 recipiente de separação de gás/líquido 102 pode incluir qualquer número de dispositivos, sistemas ou combinações dos mesmos para separar a mistura de múltiplas fases 121 em pelo menos um efluente gasoso 123 e um efluente líquido 125 que operam nos mesmos princípios que separadores de gás/líquido usados com biorreatores convencionais. Em pelo menos alguns casos, biossólidos presentes na mistura de múltiplas fases 121 podem ser separados em um efluente que contém sólidos. Em pelo menos alguns casos, pelo menos uma porção do efluente que contém sólidos do recipiente de separação de gás/líquido 102 podem ser combinados com os um ou mais líquidos e a mistura retornada ao recipiente de separação de gás/líquido ou à seção de ciclo 106. Em pelo menos alguns casos, o recipiente de separação de gás/líquido 102 pode incluir um ou mais separadores de gás/líquido que operam em paralelo ou em série.

[112] O recipiente de separação de gás/líquido 102 pode incluir um ou mais separadores passivos (por exemplo, um ou mais ciclones úmidos ou similares) com capacidade de separar o efluente gasoso 123 e o efluente líquido 125 da mistura de múltiplas fases 121. Em pelo menos alguns casos, o separador passivo também pode incluir uma seção de

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75/132 separação de sólidos para separar pelo menos uma porção dos biossólidos presentes na mistura de múltiplas fases 121. Em outros casos, o recipiente de separação de gás/líquido 102 pode incluir um ou mais dispositivos de separação ativos (por exemplo, um separador giratório trifásico) com capacidade de separar o efluente gasoso 123, o efluente líquido 125, e o efluente que contém sólidos da mistura de múltiplas fases 121.

[113] Em pelo menos alguns casos, o efluente gasoso 123 pode incluir uma mistura de um ou mais substratos gasosos (por exemplo, metano ou monóxido de carbono) e um ou mais subprodutos gasosos (por exemplo, dióxido de carbono) gerados como um subproduto pelos organismos biológicos no reator de ciclo 101. Em pelo menos alguns casos, o efluente gasoso 123 pode ser separado e pelo menos uma porção do um ou mais substratos gasosos reciclados (não mostrados) ao reator de ciclo 101, por exemplo, como um substrato gasoso. Em pelo menos alguns casos, o efluente gasoso 123 pode incluir um ou mais compostos úteis. Por exemplo, o efluente gasoso 123 pode conter uma quantidade de um ou mais compostos de hidrocarboneto C2+ gasoso e compostos com base nos mesmos que têm valor tanto como um produto acabado ou como uma matéria-prima em um processo subsequente. Tais compostos úteis podem ser separados do efluente gasoso 123 antes de reciclar pelo menos uma porção do efluente gasoso 123 ao

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76/132 reator de ciclo 101.

[114] Em pelo menos alguns casos, o efluente líquido 125 incluirão uma mistura que contém um ou mais líquidos, nutrientes, e similares introduzidos ao reator de ciclo 101 pelo subsistema de suprimento de nutriente e/ou mineral 114. Em pelo menos alguns casos, o efluente líquido 125 pode ser removido do reator de ciclo e retornado ao recipiente de separação de gás/líquido 102 aspergindo-se na superfície da mistura de múltiplas fases no recipiente de separação de gás/líquido 102 de modo a reduzir a formação de espuma dentro do recipiente de separação de gás/líquido 102. Agentes antiespumantes podem ser adicionados ao efluente líquido 125 aspergido ao recipiente de separação de gás/líquido 102 ou podem ser aspergidos ao recipiente de separação de gás/líquido 102 sem o efluente líquido 125. Em pelo menos alguns casos, o efluente líquido 125 pode incluir um ou mais compostos úteis. Por exemplo, o efluente líquido 125 pode conter uma quantidade de um ou mais compostos de hidrocarboneto C2+ gasosos que incluem, porém, sem limitação, álcoois, cetonas, glicóis, e outros compostos com base nos mesmos que têm valor tanto como um produto acabado ou como uma matéria-prima em um processo subsequente. Tais compostos de hidrocarbonetos úteis podem ser separados do efluente líquido 125.

[115] Em alguns casos, o reator é usado para

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77/132 produzir produtos naturais ou não naturais, tais como etanol, acetato, butanol, isopreno, propileno, isopreno, enzimas, ou outros metabólitos ou produtos celulares em que o produto é derivado de um micro-organismo. Em tais casos, os produtos podem estar presentes tanto no efluente gasoso 123 como no efluente líquido 125 dependendo das propriedades físicas do produto.

[116] Em pelo menos alguns casos, o fundo do recipiente de separação de gás/líquido 102 pode ser modelado, formado, ou configurado para promover o acúmulo de material biológico 127 (isto é, biossólidos ou biomassa) em uma localização desejada dentro do recipiente 102. Por exemplo, o fundo do recipiente de separação de gás/líquido 102 pode ser modelado de modo cônico, côncavo, ou em declive de modo que biossólidos 127 que se assentam no fundo do recipiente 102 se coletam preferencialmente em uma ou mais localizações predeterminadas. Na modalidade ilustrada na Figura 3, o efluente líquido 125 e biossólidos 127 podem ser removidos do fundo do recipiente de separação de gás/líquido 102 e entregues à operação unitária de fluxo de fluido 104, por exemplo, uma bomba. O efluente líquido 125 e biossólidos 127 removidos do recipiente de separação de gás/líquido 102 podem ser recebidos na entrada 129 da bomba 104 e emissão de uma saída 131 da bomba 104. A saída 131 da bomba 104 está em comunicação fluida com a entrada 133 da seção de ciclo 106

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78/132 do reator de ciclo 101. Bombas adequadas para remover o efluente liquido 125 e biossólidos 127 incluem bombas com capacidade de mover fluidos (líquidos ou gases) e pastas fluidas, por ação mecânica e que têm capacidade para produzir taxas de fluxo desejadas na ausência substancial de forças de cisalhamento prejudicial à biomassa e/ou cativação. Evitar cativação é desejável devido ao fato de que cativação faz com que os substratos gasosos e nutrientes na mistura de múltiplas fases saiam da solução tornando-as menos acessíveis à biomassa. Exemplos de tal tipo de bombas são bombas centrífugas, embora tais bombas que não são bombas centrífugas também pode ser usadas. Por exemplo, bombas de deslocamento positivo, bombas de cavidade progressiva, bombas de diafragma duplo, e similares também podem ser usadas. Dispositivos diferentes das bombas também podem ser usados para mover a mistura de múltiplas fases, por exemplo, propulsores acionados por um motor, tais como os propulsores e motores descritos no documento de Patente n° U.S. 7.579.163 podem ser usados em vez de uma bomba ou em combinação com a mesma.

[117] Na Figura 3, a saída 131 da operação unitária de fluxo de fluido 104 está em comunicação fluida com uma entrada 133 da seção de ciclo 106. A seção de ciclo 106 se estende de sua entrada 133 a uma saída 135 da seção de ciclo 106. A saída 135 da seção de ciclo 106 está em comunicação

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79/132 fluida com o recipiente de separação de gás/líquido 102. A seção de ciclo 106 pode ser formada a partir de tubulação feita de materiais que não afetam de modo adverso os processos de reação/fermentação realizados com o uso do reator de ciclo 101. Por exemplo, uma seção de ciclo 106 pode ser formada a partir de tubulação feita a partir dos materiais descritos acima para elementos do reator de ciclo 101. A área de corte transversal da seção de ciclo 106 pode ser constante ou a seção de ciclo 106 pode incluir uma ou mais seções que têm diferentes áreas de corte transversal. A referência à área de corte transversal da seção de ciclo 106 na presente revelação não inclui a área de corte transversal do recipiente de separação de gás/líquido 102. O diâmetro interno da seção de ciclo 106 pode variar por uma ampla faixa. Diâmetros exemplificativos variam de cerca de 20 centímetros a 3 metros. Outros diâmetros exemplificativos variam de 25 centímetros a 2,5 metros. Quando a seção de ciclo 106 inclui seções de áreas de corte transversal diferentes, as seções de seção de ciclo 106 que têm maior área de corte transversal têm áreas de corte transversal que são no máximo três vezes a área de corte transversal das seções da seção de ciclo 106 que têm menores áreas de corte transversal. Em outras modalidades exemplificativas, as seções da seção de ciclo 106 que têm maior área de corte transversal têm áreas de corte transversal que são no máximo

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80/132 duas vezes a área de corte transversal das seções da seção de ciclo 106 que têm menores áreas de corte transversal. Em ainda outras modalidades exemplificativas, as seções da seção de ciclo 106 que têm maior área de corte transversal têm áreas de corte transversal que são no máximo 0,5 vezes a área de corte transversal das seções da seção de ciclo 106 que têm menores áreas de corte transversal. O comprimento da seção de ciclo 106 pode variar dependendo de vários fatores, incluindo a duração desejada de tempo que a mistura de múltiplas fases 121 reside na seção de ciclo 106. O comprimento da seção de ciclo 106 também pode ser determinado com base em outros fatores tais como, porém, sem limitação, volume de reator/líquido total desejado, queda de pressão total através do ciclo, utilização de substrato desejado e rendimento. Em modalidades exemplificativas, a seção de ciclo 106 pode variar no comprimento em sua linha central de

cerca de 30	m	a cerca	de 250 m, 40 m	a cerca	de	200 m,	50 m
a cerca de	150	me 60	a cerca de 100	m.
[118]		As modalidades da	seção	de	ciclo	106
ilustradas	na	Figura	3 tem formato	de U,	incluindo	duas

juntas de cotovelo 137 que se curvam em ângulos de 90° quando vistas por acima. A seção de ciclo 106 pode tomar outros formatos. Por exemplo, a seção de ciclo 106 pode incluir mais do que duas juntas de cotovelo de 90° 137 ou a mesma pode incluir mais do que uma junta de cotovelo que é menos

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81/132 do que 90°. Em outras modalidades, a seção de ciclo 106 pode incluir inúmeros cotovelos que são maiores do que 90° ou menos do que 90°.

[119] A saída 135 da seção de ciclo 106 é elevada em relação à entrada 133 da seção de ciclo 106. A seção de ciclo 106 pode acomodar essa diferença de elevação entre sua entrada 133 e sua saída 135 por uma combinação de estar em declive da entrada 133 à saída 135 e a presença de zonas de fluxo vertical (descritas em referência às Figuras 4 e 5. O declive específico da seção de ciclo 106 ou porções da seção de ciclo 106 depende, em parte, do comprimento da seção de ciclo 106, da distância vertical entre a linha central da seção de ciclo 106 em sua entrada 133 e a linha central da seção de ciclo 106 em sua saída 135, e se a seção de ciclo 106 inclui zonas de redução de pressão verticais. Alternativamente, uma porção da seção de ciclo 106 pode estar em declive para baixo e uma porção da seção de ciclo 106 pode estar em declive para cima. Em tais modalidades alternativas, a porção da seção de ciclo 106 que está em declive para cima considera a perda de elevação resultante da presença da porção em declive para cima da seção de ciclo 106 e a diferença de elevação entre entrada 133 da seção de ciclo 106 e da saída 135 da seção de ciclo 106. Por exemplo, a porção da seção de ciclo 106 que se estende de sua entrada 133 ao primeiro cotovelo de 90° 137 na Figura 3 pode estar

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82/132 em declive para baixo, e a porção da seção de ciclo 106 que se estende dos primeiro e segundo cotovelos 137 pode estar em declive para cima à saída 135 da seção de ciclo 106.

[120] Em modalidades do reator de ciclo 101 que incluem zonas de reduções de pressão vertical que considera uma porção da mudança de elevação da saída 131 da operação unitária de fluxo de fluido 104 à saída 135 da seção de ciclo 106, a quantidade de mudança de elevação que precisa ser fornecida pelo equilíbrio de seção de ciclo não vertical 106 (isto é, a porção da seção de ciclo 106 que não é vertical) é reduzida.

[121] As modalidades exemplificativas ilustradas na Figura 3 incluem uma pluralidade de misturadores estáticos 139, posicionados ao longo do comprimento da seção de ciclo 106. Benefícios do uso de misturadores estáticos são descritos no documento de Patente n° U.S. 7.579.163 e incluem mistura dos gases de nutriente na mistura de múltiplas fases. Tipos exemplificativos de misturadores estáticos são também descritos na patente '163. Misturas estáticas que podem ser usadas em modalidades descritas no presente documento não são limitadas a aquelas descritas na patente '163. Misturadores estáticos diferentes daqueles descritos na patente '163 podem ser usados nas modalidades descritas no presente documento. Por exemplo, outros tipos de misturadores estáticos são disponíveis junto às empresas

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83/132 tais como StaMixCo LLC do Brooklyn, Nova Iorque e Sulzer Management Ltd. da Winterthur, Suíça. Na modalidade exemplificativa ilustrada nas Figuras 3 e 4, 50 misturadores estáticos 139 são esquematicamente representados por 23 blocos. Os misturadores estáticos 139 da modalidade exemplificativa da Figura 3 podem ser fornecidas em uma densidade de cerca de um misturador per três metros da seção de ciclo 106 quando a mistura estática tem um comprimento de cerca de 1 metro. Em outras palavras, em determinados exemplos, misturadores estáticos são separados por uma distância cerca de igual a 3 vezes o comprimento de um dos misturadores estáticos. O número de misturadores estáticos não é limitado a 50 nem é sua densidade limitada a um misturador por 3 metros de seção de ciclo 106. De acordo com modalidades descritas no presente documento, números menores ou maiores de misturadores estáticos podem ser fornecidos e os misturadores estáticos podem ser fornecidos em uma densidade menor ou maior. O número particular de misturadores estáticos usados e a densidade na qual as mesmas são instaladas serão determinados em parte com base em sua contribuição para a transferência de massa de gás ao líquido e micro-organismos e/ou a queda de pressão produzida pelos misturadores estáticos.

[122] Em referência continuada à Figura 3, em modalidades exemplificativas, o sistema 100 inclui um

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84/132 subsistema de suprimento de nutriente e/ou mineral 114 para introduzir nutrientes e minerais na seção de ciclo 106 em uma ou mais localizações. Tais nutrientes incluem nutrientes com capacidade de suportar ou transportar sustentação dissolvida ou suspensa aos organismos microbiológicos que formam biomassa na mistura de múltiplas fases dentro do reator de ciclo 101. Na modalidade ilustrada na Figura 3, nutrientes e minerais são introduzidos em duas localizações ao longo da seção de ciclo 106; no entanto, o subsistema de suprimento de nutriente e/ou mineral 114 pode introduzir nutrientes e minerais em diferentes localizações ao longo da seção de ciclo 106 e pode introduzir nutrientes/minerais em menos do que duas localizações ou mais do que duas localizações ao longo de seção de ciclo 106. O subsistema 114 fornece substratos gasosos/nutrientes para a introdução em um meio de cultura líquido para formar uma mistura de múltiplas fases do meio de cultura líquido e substratos gasosos/nutrientes supridos. Tais substratos gasosos/nutrientes pode incluir um único gás ou uma combinação de gases com capacidade de suportar ou fornecer sustentação ou nutrientes aos organismos biológicos que produzem biomassa no reator de ciclo 101. Conforme ilustrado na Figura 3, nutrientes exemplificativos incluem gás natural, nitrogênio, oxigênio e água de amônia. Uma fonte de vapor pode ser fornecida para energia térmica e propósitos

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85/132 de limpeza. Nutrientes que podem ser supridos pelo subsistema de nutriente 114 não são limitados ao gás natural, nitrogênio, oxigênio e água de amônio. Outros nutrientes/minerais, tais como metano, gás de síntese, água, fosfato (por exemplo, como ácido fosfórico), nitratos, ureia, magnésio, cálcio, potássio, ferro, cobre, zinco, manganês, níquel, cobalto e molibdênio, tipicamente usados como sulfatos, cloretos ou nitratos também podem ser fornecidos pelo subsistema de nutriente 114.

[123] Nas modalidades exemplificativas, o sistema

100 inclui uma operação unitária de transferência de calor 116 para introduzir ou remover energia térmica da mistura de múltiplas fases na seção de ciclo 106. A operação unitária de transferência de calor 116 pode introduzir energia térmica ou remover energia térmica das misturas de múltiplas fases na seção de ciclo 106 em uma ou mais localizações ao longo de seção de ciclo 106. Nas modalidades ilustradas na Figura 3, a operação unitária de transferência de calor 116 remove ou introduz energia térmica em uma localização ao longo de seção de ciclo 106; no entanto, energia térmica pode ser removida ou introduzida em mais do que uma localização ao longo de seção de ciclo 106. Em pelo menos alguns casos, a atividade microbiológica que ocorre dentro do reator de ciclo

101 gera calor como um subproduto. Deixado sem controle, tal calor pode afetar de modo adverso o metabolismo ou saúde dos

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86/132 organismos microbiológicos dentro do reator de ciclo 101. Alternativamente, organismos microbiológicos também podem ter uma temperatura abaixo da qual o metabolismo ou saúde do organismo é afetada de modo adverso. Sendo assim, os organismos biológicos dentro do reator de ciclo 101 têm uma faixa de temperatura definida que fornece crescimento ideal e condições metabólicas. Em pelo menos alguns casos, a mistura de múltiplas fases dentro do reator de ciclo 101 pode ser mantida em uma temperatura de cerca de 54,45°C (130°F) ou menos; cerca de 48,89°C (120°F) ou menos; cerca de 43,33°C (110°F) ou menos; cerca de 37,78°C (100°F) ou menos; cerca de 35°C (95°F) ou menos; cerca de 32,23°C (90°F) ou menos; cerca de 29,45°C (85°F) ou menos; ou cerca de 26, 67°C (80°F) ou menos com o uso da operação unitária de transferência de calor 116. Em pelo menos alguns casos, a mistura de múltiplas fases dentro do reator de ciclo 101 pode ser mantida em uma temperatura de cerca de 12,78°C (55°E) a cerca de 48,89°C (120°F); cerca de 15,56°C (60°F) a cerca de 43,33°C (110°F); cerca de 43,33°C (110°F) a cerca de 48,89°C (120°F); cerca de 43,34°C (100°F) a cerca de 48,89°C (120°F); cerca de 18,34°C(65°F) a cerca de 37,78°C (100°F); cerca de 18,34°C(65°F) a cerca de (95°F); ou cerca de 21,12°C (70°F) a cerca de 32,23°C (90°F) com o uso de operação unitária de transferência de calor 116.

[124] Nas modalidades exemplificativas descritas no

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87/132 presente documento, gás de pressão no espaço livre 143 da operação unitária de separação de gás/líquido 102 varia de cerca de 0,02 MPa (0,2 bar) a cerca de 0,06 MPa (0,6 bar); no entanto, o gás de pressão no espaço livre 143 não é limitado a uma faixa de cerca de 0,02 MPa (0,2 bar) a cerca de 0,06 MPa (0,6 bar). Por exemplo, em modalidades exemplificativas descritas no presente documento, o gás de pressão no espaço livre 143 pode ser menos do que 0,02 MPa (0,2 bar) ou maior do que cerca de 0,06 MPa (0,6 bar) . A pressão na saída 131 da bomba 104 varia de cerca de 0,35 MPa (3,5 bar) a cerca de 0,4 MPa (4,0 bar); no entanto, a pressão na saída 131, da bomba 104 não é limitada a uma faixa de cerca de 0,35 MPa (3,5 bar) a cerca de 0,4 MPa (4,0 bar) . Por exemplo, em modalidades exemplificativas descritas no presente documento, a pressão na saída 131 da bomba 104 pode ser menos do que cerca de 0,35 MPa (3,5 bar) ou maior do que cerca de 0,4 MPa (4,0 bar). Em modalidades exemplificativas que incluem misturadores estáticos 139, a queda de pressão através de uma mistura estática varia de cerca de 0,001 MPa (0,01 bar) a cerca de 0,01 MPa (0,1 bar); no entanto, a queda de pressão através de uma mistura estática não é limitada a uma faixa de cerca de 0,001 MPa (0,01 bar) a cerca de 0,01 MPa (0,1 bar). Por exemplo, em modalidades exemplificativas descritas no presente documento, a queda de pressão através de uma mistura estática pode ser menos do que 0,001 MPa (0,01

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88/132 bar) ou maior do que 0,01 MPa (0,1 bar) . De acordo com modalidades exemplificativas descritas no presente documento, a pressão dentro da seção de ciclo 106 no início da zona de redução de pressão não vertical 108 varia de cerca de 0,2 MPa (2,0 bar) a cerca de 0,25 MPa (2,5 bar); no entanto, a pressão dentro da seção de ciclo 106 no início da zona de redução de pressão não vertical 108 não é limitada a uma faixa de cerca de 0,2 MPa (2,0 bar) a cerca de 0,25 MPa (2,5 bar) . Por exemplo, a pressão dentro da seção de ciclo 106 no início da zona de redução de pressão não vertical 108 pode ser menos do que cerca de 0,2 MPa (2,0 bar) ou maior do que cerca de 0,25 MPa (2,5 bar). De acordo com modalidades exemplificativas descritas no presente documento, a pressão dentro da seção de ciclo 106 na extremidade da zona de redução de pressão não vertical 108 varia de cerca de 0,02 MPa (0,2 bar) a cerca de 0,06 MPa (0,6 bar); no entanto, a pressão dentro da seção de ciclo 106 na extremidade da zona de redução de pressão não vertical 108 não é limitada uma faixa de cerca de 0,02 MPa (0,2 bar) a cerca de 0,06 MPa (0,6 bar). Por exemplo, de acordo com as modalidades descritas no presente documento, a pressão dentro da seção de ciclo 106 na extremidade da zona de redução de pressão não vertical 108 pode ser menos do que cerca de 0,02 MPa (0,2 bar) ou maior do que cerca de 0,06 MPa (0,6 bar). Em modalidades descritas no presente

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89/132 documento, a queda de pressão através da zona de redução de pressão não vertical 108 pode variar de cerca de 0,18 MPa (1,8 bar) a cerca de 0,23 MPa (2,3 bar); no entanto, a queda de pressão através da zona de redução de pressão não vertical 108 não é limitada a uma faixa de cerca de 0,18 MPa (1,8 bar) a cerca de 0,23 MPa (2,3 bar). Por exemplo, a queda de pressão através da zona de redução de pressão não vertical 108 pode ser menos do que 0,18 MPa (1,8 bar) ou mais do que 0,23 MPa (2,3 bar) . Em alguns casos, a queda de pressão através da zona de redução de pressão não vertical 108 considera pelo menos 20%, pelo menos 30%, pelo menos 40%, pelo menos 50%, pelo menos 60%, pelo menos 70% ou pelo menos 80% da queda de pressão entre a saída da operação unitária de fluxo de fluido 104 e o espaço livre 143 do recipiente de separação de gás/líquido 102. A descrição precedente relacionada a quedas de pressão através da zona de redução de pressão não vertical 108 e percentagem da queda de pressão entre a saída da operação unitária de fluxo de fluido 104 e o espaço livre 143 do recipiente de separação de gás/líquido 102 atribuíveis à zona de redução de pressão não vertical 108 se aplica igualmente à queda de pressão através do dispositivo de redução de pressão 145 que é localizado na zona de redução de pressão 108.

[125] Em modalidades ilustradas na Figura 3, a primeira zona de redução de pressão não vertical 108 é

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90/132 localizada a jusante da última mistura estática 139 e a montante da saída 135 da seção de ciclo 106 que está em comunicação fluida com operação unitária de separação de gás/líquido 102. A primeira zona de redução de pressão não vertical 108 inclui um dispositivo de redução de pressão 145. De acordo com as modalidades ilustradas na Figura 3, a pressão dentro da seção de ciclo 106 imediatamente a jusante do dispositivo de redução de pressão 145 é menor do que a pressão dentro da seção de ciclo 106 imediatamente a montante do dispositivo de redução de pressão 145. O dispositivo de redução de pressão 145 faz com que a pressão dentro da seção de ciclo 106 imediatamente a jusante do dispositivo de redução de pressão 145 seja menor do que a pressão dentro da seção de ciclo 106 imediatamente a montante do dispositivo de redução de pressão 145. Dispositivos preferenciais para uso como dispositivo de redução de pressão 145 incluem dispositivos que fornecem a redução desejada de pressão por meio diferente de uma mudança de pressão hidrostática. Por exemplo, o dispositivo de redução de pressão 145 pode ser uma válvula de controle (em oposição a uma válvula de retenção), junta de expansão (por exemplo, que tem um diâmetro a montante que é menos do que seu diâmetro a jusante), mistura estática, junta de cotovelo de tubo e combinações dos mesmos. Válvulas de controle exemplificativas incluem válvulas de controle que são

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91/132 atuadas de modo hidráulico, pneumático, manual, por um solenoide, ou por um motor; no entanto, válvulas de controle, úteis em modalidades descritas no presente documento, não são limitadas aos tipos precedentes de arquivos de controle. De modo similar, o dispositivo de redução de pressão 145 não é limitado às válvulas de controle, juntas de expansão, misturadores estáticos, cotovelos de tubo e combinações dos mesmos. Por exemplo, o dispositivo de redução de pressão 145 pode ser um dispositivo que não é uma válvula de controle, junta de expansão, a mistura estática ou cotovelo de tubo que resulta na pressão dentro da seção de ciclo 106 imediatamente a jusante do dispositivo que é menor do que a pressão dentro da seção de ciclo 106 imediatamente a montante do dispositivo.

[126] De acordo com as modalidades descritas no presente documento, o dispositivo de redução de pressão 145 pode ser um dispositivo de redução de pressão variável, tal como uma válvula de controle. O uso de um dispositivo de redução de pressão variável permite que a diferença na pressão dentro da seção de ciclo 106 imediatamente a montante do dispositivo e a pressão dentro da seção de ciclo 106 imediatamente a jusante do dispositivo seja ajustada variando-se o grau ao qual o dispositivo é aberto. Por exemplo, a diferença na pressão pode ser diminuída abrindose o dispositivo e a diferença pressão pode ser aumentada

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92/132 fechando-se o dispositivo.

[127] Em referência às modalidades da Figura 3, uma segunda zona de redução de pressão 113 opcional pode incluir um dispositivo de redução de pressão do tipo descrito acima em relação ao dispositivo de redução de pressão 145. De acordo com modalidades da Figura 3, a segunda zona de redução de pressão 113 é uma zona de redução de pressão não vertical e inclui um dispositivo de redução de pressão. Em modalidades exemplificativas, o primeiro dispositivo de redução de pressão 145 da primeira zona de redução de pressão 108 é separada do dispositivo de redução de pressão da segunda zona de redução de pressão 113 por uma porção não vertical da seção de ciclo 106. De acordo com as modalidades ilustradas na Figura 3, a mistura de múltiplas fases in seção de ciclo 106 flui da primeira zona de redução de pressão não vertical 108 à operação unitária de separação de gás/líquido 102 sem fluir em uma direção vertical. De acordo com modalidades de acordo com a Figura 3, quando uma segunda zona de redução de pressão 113 está presente, a mesma considera menos de uma queda de pressão em comparação à queda de pressão através da primeira zona de redução de pressão 108. Por exemplo, a queda de pressão através da segunda zona de redução de pressão 113 é cerca de igual à diferença de pressão entre o espaço livre 143 do recipiente de separação de gás/líquido 102 e a pressão na saída da primeira zona de

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93/132 redução de pressão 108 e/ou o dispositivo de redução de pressão 145. Tal queda de pressão através da segunda zona de redução de pressão 113 pode variar entre cerca de 0,01 MPa (0,1 bar) a cerca de 0,05 MPa (0,5 bar); no entanto, a queda de pressão através da segunda zona de redução de pressão 113 não é limitada a uma faixa entre cerca de 0,01 MPa (0,1 bar) a cerca de 0,05 MPa (0,5 bar) . Por exemplo, a queda de pressão através da segunda zona de redução de pressão 113 pode ser menos do que 0,01 MPa (0,1 bar) ou mais do que 0,05 MPa (0,5 bar). Em alguns casos, a queda de pressão através da segunda zona de redução de pressão 113 considera menos do que 10%, menos do que 5%, menos do que 3% ou menos do que 2% da queda de pressão da saída da operação unitária de fluxo de fluido 104 ao espaço livre 143 do recipiente de separação de gás/líquido 102.

[128] A seção de ciclo 106 a montante da primeira zona de redução de pressão não vertical 108 inclui uma entrada de gás de dessorção 149. Na modalidade ilustrada, a entrada de gás de dessorção 149 está em comunicação fluida com uma fonte de gás de dessorção, por exemplo, nitrogênio, e em comunicação fluida com uma seção não vertical da seção de ciclo 106. Desse modo, de acordo com as modalidades ilustradas na Figura 3, o gás de dessorção pode ser introduzido em uma seção não vertical da seção de ciclo 106. A introdução de um gás de dessorção na mistura de múltiplas

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94/132 fases na entrada de gás de dessorção 149 causa uma diminuição na pressão parcial de outros gases presentes na mistura de múltiplas fases (por exemplo, dióxido de carbono e metano). Reduzir a pressão parcial de outros gases presentes na mistura de múltiplas fases pode ter o efeito de reduzir a transferência de massa de gases de nutriente no microorganismo e/ou fazer com que outros gases saiam da solução.

[129] De acordo com outras modalidades da Figura 3, a segunda zona de redução de pressão 113 pode ser fornecida modificando-se a seção de ciclo 106 para incluir uma seção que é orientada verticalmente. A orientação vertical de uma seção da seção de ciclo 106 fornece uma segunda zona de redução de pressão 112 que resulta na pressão dentro da seção de ciclo 106 na extremidade superior da segunda zona de redução de pressão 112 que é menor do que a pressão dentro da seção de ciclo 106 na extremidade superior da segunda zona de redução de pressão 112. A redução de pressão fornecida pela segunda zona de redução de pressão 112 é atribuível, pelo menos em parte, à diferença de pressão hidrostática do topo ao fundo da segunda zona de redução de pressão 112. O comprimento da porção vertical da segunda zona de redução de pressão 112 pode ser determinada, pelo menos em parte, com base na redução desejada de pressão a ser fornecida pela segunda zona de redução de pressão 112.

[130] As Figuras 4A a 4D ilustram diferentes

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95/132 modalidades da presente revelação que incluem uma seção de ciclo 106, que inclui duas ou mais zonas de fluxo substancialmente verticais nas quais o fluxo da mistura de múltiplas fases ocorre substancialmente na mesma direção, por exemplo, uma direção substancialmente para cima. O fluxo em uma direção substancialmente para cima se refere ao fluxo que é substancialmente contra a gravidade, por exemplo, em uma direção oposta ao vetor de gravidade. A descrição de operação unitária de separação de gás/líquido 102, entrada 133 da seção de ciclo 106 e saída 135 da seção de ciclo 106 em referência à Figura 3 se aplica igualmente à operação unitária de separação de gás/líquido 102, entrada 133 da seção de ciclo 106 e saída 135 da seção de ciclo 106 nas Figuras 4A a 4D, assim como a Figura 5. Em referência às modalidades de acordo com a Figura 4A, seção de ciclo 106 inclui uma zona de fluxo substancialmente horizontal 404A que tem uma extremidade em comunicação fluida com a saída 402 do recipiente de separação de gás/líquido 102. A outra extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 404A está em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 404B, que, por sua vez, tem sua outra extremidade em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 404C. A outra extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 404C está em comunicação fluida com uma

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96/132 extremidade da zona de fluxo não vertical 406A que tem sua outra extremidade em comunicação fluida com uma extremidade de entrada da zona de fluxo substancialmente vertical 408A. A extremidade da zona de fluxo substancialmente vertical

408A oposta a sua extremidade de entrada, isto é, sua extremidade de saída, está em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 404D que tem sua outra extremidade em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo substancialmente vertical 408B. A mistura de múltiplas fases flui em uma direção para baixo na zona de fluxo substancialmente vertical 408B. 0 fluxo na direção para baixo se refere ao fluxo em uma direção que é substancialmente com gravidade, isto é, fluxo em uma direção do vetor de gravidade. A outra extremidade da zona de fluxo substancialmente vertical 408B está em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo não vertical 406B que tem sua outra extremidade em comunicação fluida com uma extremidade de entrada da zona de fluxo substancialmente vertical 408C. A extremidade de saída da zona de fluxo substancialmente vertical 408C que é oposta da extremidade de entrada da zona de fluxo substancialmente vertical 408C está em comunicação fluida com a zona de fluxo substancialmente horizontal 404E, que tem sua extremidade oposta em comunicação fluida com a zona de fluxo substancialmente vertical 408D. 0 fluxo da mistura de

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97/132 múltiplas fases está em uma direção para cima na zona de fluxo substancialmente vertical 408C, enquanto o fluxo da mistura de múltiplas fases está em uma direção para baixo na zona de fluxo substancialmente vertical 408D. A zona de fluxo substancialmente vertical 408D está em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo não vertical 406C, enquanto a extremidade oposta da zona de fluxo não vertical 406C está em comunicação fluida com a operação unitária de separação de gás/líquido 102. De acordo com as modalidades ilustradas na Figura 4A, o fluxo da mistura de múltiplas fases em uma direção substancialmente para cima ocorre em zonas de fluxo substancialmente verticais 408A e 408C e fluxo da mistura de múltiplas fases em uma direção substancialmente para baixo ocorre nas zonas de fluxo substancialmente verticais 408B e 408D.

[131] Em modalidades de um sistema para estimular a produção de biomassa de acordo com a Figura 4A, uma mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido flui através da seção de ciclo 106 na direção indicada pelas setas 409. A modelagem de coeficientes de transferência de massa volumétrica para o substrato gasoso nas zonas de fluxo substancialmente verticais em que a mistura de múltiplas fases flui em uma direção substancialmente para cima sugere que coeficientes de transferência de massa volumétrica (kra) entre o substrato gasoso e o meio de cultura líquido da

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98/132 mistura de múltiplas fases que fluem em tais zonas de fluxo substancialmente verticais é significativamente maior do que (por exemplo, cerca de 2 a 5 vezes maior do que) os coeficientes de transferência de massa entre o substrato gasoso e o meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases que fluem em zonas de fluxo substancialmente horizontais. Modalidades descritas no presente documento podem utilizar e explorar essa observação para reduzir o rastro (isto é, a área de fluxo ou espaço de piso) ocupado por um sistema para estimular a produção de biomassa. Por exemplo, em referência ao sistema ilustrado na Figura 4A, alcançar uma quantidade de transferência de massa, em uma ou mais zona (ou zonas) de fluxo substancialmente horizontal, que é equivalente à quantidade de transferência de massa alcançada nas duas zonas de fluxo substancialmente verticais 408A e 408B da Figura 4A exigiría dedicação da área de fluxo ou espaço de piso para tal zona (ou zonas) de fluxo substancialmente horizontal. A área de fluxo ou espaço de piso necessária para acomodar tal zona (ou zonas) de fluxo substancialmente horizontal seria maior do que a área de fluxo ou espaço de piso ocupado pelas zonas de fluxo substancialmente verticais 408A e 408B. Utilizando-se um sistema para estimular a produção de biomassa que inclui pelo menos duas zonas de fluxo substancialmente verticais em que a mistura de múltiplas fases flui em uma direção

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99/132 substancialmente para cima, a mesma quantidade ou mesmo uma quantidade maior de transferência de massa pode ser alcançada em um sistema que ocupa uma área de fluxo ou espaço de piso menor em comparação à área de fluxo ou espaço de piso ocupada por um sistema para estimular a produção de biomassa que inclui menos do que duas zonas de fluxo vertical que suportam fluxo para cima da mistura de múltiplas fases e alcança substancialmente a mesma quantidade de transferência de massa. Declarado de outro modo, utilizando-se um sistema para estimular a produção de biomassa que inclui pelo menos duas zonas de fluxo substancialmente verticais em que a mistura de múltiplas fases flui em uma direção substancialmente para cima, a mesma quantidade ou mesmo uma quantidade maior de transferência de massa pode ser alcançada com um comprimento cumulativo de zonas de fluxo substancialmente horizontais que é menos do que o comprimento cumulativo de zonas de fluxo substancialmente horizontais necessárias em um sistema para estimular a produção de biomassa que alcança substancialmente a mesma quantidade de transferência de massa e inclui menos do que duas zonas de fluxo vertical através do qual a mistura de múltiplas fases flui em uma direção para cima.

[132] As Figuras 4B a 4D ilustram modalidades alternativas de sistemas para estimular a produção de biomassa que incluem pelo menos duas zonas de fluxo

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100/132 substancialmente verticais através do qual uma mistura de múltiplas fases flui em uma direção substancialmente para cima. A Figura 4B retrata modalidades de um sistema para estimular a produção de biomassa que tem similaridades com o sistema ilustrado na Figura 4A. A descrição da saída 402 da operação unitária de separação de gás/líquido 102 na Figura 4A se aplica à saída 402 da operação unitária de separação de gás/líquido 102 na Figura 4B. O sistema da Figura 4B difere do sistema ilustrado na Figura 4A pelo fato de que o sistema da Figura 4B inclui zonas de fluxo substancialmente horizontais 404D, 404F e 404H nas localizações das zonas de fluxo substancialmente não vertical 406A, 406B e 406C do sistema ilustrado na Figura 4A. De acordo com as modalidades ilustradas na Figura 4B, zonas de fluxo substancialmente horizontais 404A, 404B e 404C são iguais às zonas de fluxo substancialmente horizontais 404A, 404B e 404C descritas em referência à Figura 4A. Na Figura 4B, a extremidade a jusante da zona de fluxo substancialmente horizontal 404C está em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 404D. A outra extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 404D está em comunicação fluida com uma extremidade (por exemplo, uma extremidade de entrada) da zona de fluxo substancialmente vertical 408A, enquanto a outra extremidade da zona de fluxo substancialmente vertical

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408A (por exemplo, a extremidade de saída) está em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 404E. A outra extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 404E está em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo substancialmente vertical 408B cuja outra extremidade está em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 404F. A outra extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 404F está em comunicação fluida com uma extremidade (por exemplo, a extremidade de entrada) da zona de fluxo substancialmente vertical 408C, enquanto a outra extremidade (por exemplo, a extremidade de saída) da zona de fluxo substancialmente vertical 408C está em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 404G. A outra extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 404G está em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo substancialmente vertical 408D. A outra extremidade da zona de fluxo substancialmente vertical 408D está em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 404H enquanto a outra extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 404H termina na saída 135 da seção de ciclo 106. A saída 135 do reator de ciclo 106 está em comunicação fluida com o recipiente de separação de gás/líquido 102. No sistema

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102/132 ilustrado na Figura 4B, o fluxo da mistura de múltiplas fases em uma direção substancialmente para cima ocorre entre a extremidade de entrada e a extremidade de saída das zonas de fluxo substancialmente verticais 408A e 408C e fluxo da mistura de múltiplas fases em uma direção substancialmente para baixo ocorre em zonas de fluxo substancialmente verticais 408B e 408D.

[133] A Figura 4C ilustra outra modalidade de um sistema para estimular a produção de biomassa que tem similaridades com o sistema ilustrado na Figura 4A. A descrição da saída 402 da operação unitária de separação de gás/líquido 102 na Figura 4A se aplica à saída 402 da operação unitária de separação de gás/líquido 102 na Figura 4C. O sistema da Figura 4C difere do sistema ilustrado na Figura 4A pelo fato de que o sistema ilustrado na Figura 4C inclui duas zonas de fluxo substancialmente verticais adicionais 414A e 414C (para um total de quatro) na qual a mistura de múltiplas fases flui substancialmente na mesma direção, por exemplo, uma direção substancialmente para cima. O sistema ilustrado na Figura 4C também inclui zonas de fluxo substancialmente verticais 414B e 414D correspondentes, nas quais a mistura de múltiplas fases flui em uma direção substancialmente para baixo, isto é, substancialmente na direção da gravidade. Na Figura 4C, a entrada 133 da seção de ciclo 106 está em comunicação fluida

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103/132 com a saída 402 da operação unitária de gás/líquido 102. A entrada 133 da seção de ciclo 106 está em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 412A. A outra extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 412A está em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 412B e a outra extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 412B está em comunicação fluida com uma extremidade (por exemplo, uma extremidade de entrada) da zona de fluxo substancialmente vertical 414A. A outra extremidade (por exemplo, uma extremidade de saída) da zona de fluxo substancialmente vertical 414A está em comunicação fluida com a zona de fluxo substancialmente horizontal 412C que tem sua outra extremidade em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo substancialmente vertical 414B. A extremidade oposta da zona de fluxo substancialmente vertical 414B está em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 412D cuja extremidade oposta está em comunicação fluida com uma extremidade (por exemplo, uma extremidade de entrada) da zona de fluxo substancialmente vertical 414C. A outra extremidade (por exemplo, uma extremidade de saída) da zona de fluxo substancialmente vertical 414C está em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo externo substancialmente horizontal 412E. A extremidade oposta da

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104/132 zona de fluxo substancialmente horizontal 412E em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo substancialmente vertical 414D, sendo que a extremidade oposta da zona de fluxo substancialmente vertical 414D está em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo substancialmente horizontal 412F. O equilíbrio do sistema para estimular a produção de biomassa ilustrado na Figura 4C a jusante de uma zona de fluxo substancialmente horizontal 412F é idêntica à porção do sistema para estimular a produção de biomassa ilustrada na Figura 4A que está a jusante da zona de fluxo substancialmente horizontal 404C. Em referência ao equilíbrio do sistema ilustrado na Figura 4C a jusante da zona de fluxo substancialmente horizontal 412F, a zona de fluxo não vertical 416A está em comunicação fluida com a zona de fluxo substancialmente vertical 414E que está em comunicação fluida com a zona de fluxo substancialmente horizontal 412G que está em comunicação fluida com a zona de fluxo substancialmente vertical 414F que está em comunicação fluida com a zona de fluxo não vertical 416B que está em comunicação fluida com a zona de fluxo substancialmente vertical 414G que está em comunicação fluida com a zona de fluxo substancialmente horizontal 412H que está em comunicação fluida com a zona de fluxo substancialmente vertical 414H que está em comunicação fluida com a zona de fluxo não vertical 416C. No sistema ilustrado na Figura 4G,

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105/132 o fluxo da mistura de múltiplas fases ocorre na direção indicada pelas setas 409. No sistema da Figura 4C, o fluxo da mistura de múltiplas fases em uma direção substancialmente para cima ocorre em zonas de fluxo substancialmente verticais 414A, 414C, 414E e 414G e o fluxo da mistura de múltiplas fases em uma direção substancialmente para baixo ocorre em zonas de fluxo substancialmente verticais 414B, 414D, 414F e 414H.

[134] A Figura 4D retrata outra modalidade de um sistema para estimular a produção de biomassa que tem similaridades com o sistema ilustrado na Figura 4C. A descrição da saída 402 da operação unitária de separação de gás/líquido 102 na Figura 4A se aplica à saída 402 da operação unitária de separação de gás/líquido 102 na Figura 4D. O sistema ilustrado na Figura 4D difere do sistema ilustrado na Figura 4C pelo fato de que o sistema da Figura 4D inclui zonas de fluxo substancialmente horizontais 412G, 4121 e 412K nas localizações das zonas de fluxo substancialmente não vertical 416A, 416B e 416C do sistema ilustrado na Figura 4C. Na Figura 4D, as zonas de fluxo substancialmente horizontais 412A, 412B, 412C, 412D, 412E e 412F são iguais às zonas de fluxo substancialmente horizontais 412A, 412B, 412C, 412D, 412E e 412F descritas em referência às modalidades de acordo com a Figura 4C. A descrição das zonas substancialmente horizontais 412G e 412H

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106/132 na Figura 4C se aplica à zona substancialmente horizontal 412H e 412J na Figura 4D. A descrição das zonas de fluxo substancialmente verticais 414A a 414H da Figura 4C se aplica igualmente às zonas de fluxo substancialmente verticais 414A a 414H na Figura 4D. No sistema ilustrado na Figura 4D, o fluxo da mistura de múltiplas fases ocorre na direção indicada pelas setas 409. No sistema da Figura 4D, o fluxo da mistura de múltiplas fases em uma direção substancialmente para cima ocorre em zonas de fluxo substancialmente verticais 414A, 414C, 414E e 414G e o fluxo da mistura de múltiplas fases em uma direção substancialmente para fora ocorre em zonas de fluxo substancialmente verticais 414B, 414D, 414F e 414H.

[135] Sistemas para estimular a produção de biomassa de acordo com as modalidades descritas no presente documento não são limitados a esses ilustrados nas Figuras 4A a 4D. Por exemplo, sistemas para estimular a produção de biomassa de acordo com as modalidades descritas no presente documento pode incluir diferentes combinações e/ou disposições da substancialmente horizontal, não vertical, e pelo menos duas zonas de fluxo substancialmente verticais, com a mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido que flui na mesma direção através de pelo menos duas das zonas de fluxo substancialmente verticais, por exemplo, em uma direção para cima.

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107/132 [136] Em referência à Figura 5, outra modalidade de um sistema para estimular a produção de biomassa de acordo com um presente revelação inclui uma primeira zona substancialmente horizontal situada em um primeiro plano substancialmente horizontal e uma segunda zona substancialmente horizontal situada em um segundo plano substancialmente horizontal que é diferente do primeiro plano substancialmente horizontal. Por exemplo, na modalidade ilustrada na Figura 5, uma primeira zona

substancialmente	horizontal	502	está	situada	em	um	plano
substancialmente	horizontal	que	está	abaixo	de	um	plano
substancialmente	horizontal	no	qual	uma	segunda	zona
substancialmente	horizontal	504	está	situada	. A	primeira

zona substancialmente horizontal 502 e a segunda zona substancialmente horizontal 504 são separadas por uma zona de fluxo substancialmente vertical 506 que tem sua entrada em comunicação fluida com a primeira zona substancialmente horizontal 502 e sua saída em comunicação fluida com a segunda zona substancialmente horizontal 504. Sistemas para estimular a produção de biomassa de acordo com as modalidades ilustradas pela Figura 5 pode ser caracterizada por uma zona substancialmente horizontal que inclui uma seção de fluxo que cruza ou sobrepõe uma seção de fluxo de uma zona substancialmente horizontal diferente situada em um plano substancialmente horizontal diferente. Com tal disposição

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108/132 das primeira e segunda zonas substancialmente horizontais e pelo menos uma zona de fluxo substancialmente vertical de acordo com as modalidades descritas no presente documento, o rastro (isto é, área de fluxo ou espaço de piso) do sistema pode ser reduzido em comparação a sistemas para estimular a produção de biomassa que não incluem tal disposição, enquanto ainda alcançam transferência de massa que é substancialmente equivalente aos sistemas que não incluem tal disposição.

[137] De acordo com modalidades de um sistema para estimular a produção de biomassa de acordo com a Figura 5, uma seção de ciclo 106 inclui uma primeira zona de fluxo substancialmente horizontal 502 situada em um primeiro plano horizontal e inclui uma primeira seção de fluxo 502A, uma segunda seção de fluxo 502C e uma quinta seção de fluxo 502B entre a primeira seção de fluxo 502A e a segunda seção de fluxo 502C. A seção de ciclo 106 também inclui uma segunda zona de fluxo substancialmente horizontal 504 situada em um segundo plano horizontal (diferente do primeiro plano horizontal) que inclui uma terceira seção de fluxo 504A, uma quarta seção de fluxo 504C e uma sexta seção de fluxo 504B entre a terceira seção de fluxo 504A e a quarta seção de fluxo 504C. A primeira zona de fluxo substancialmente horizontal 502 é localizada entre a saída 402 do recipiente de separação de gás/líquido 102 e uma entrada ao recipiente de separação de gás/líquido 102 que está em comunicação

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109/132 fluida com saída 135 da seção de ciclo 106. A segunda zona de fluxo substancialmente horizontal 504 é localizada entre a primeira zona de fluxo substancialmente horizontal 502 e a entrada do recipiente de separação de gás/liquido 102 que está em comunicação fluida com saída 135 da seção de ciclo 106. A zona de fluxo substancialmente vertical 506 é localizada entre a primeira zona de fluxo substancialmente horizontal 502 e a segunda zona de fluxo substancialmente horizontal 504 e fornece comunicação fluida entre a primeira zona de fluxo substancialmente horizontal 502 e a segunda zona de fluxo substancialmente horizontal 504.

[138] De acordo com as modalidades ilustradas na Figura 5, a entrada 133 da seção de ciclo 106 (isto é, a entrada da primeira zona substancialmente horizontal 502 e sua primeira seção de fluxo 502A) está em comunicação fluida com saída 402 do recipiente de separação de gás/liquido 102. A extremidade da primeira seção de fluxo 502A oposta à saída da primeira seção de fluxo 502A em comunicação fluida com saída 402 do recipiente de separação de gás/liquido 102 está em comunicação fluida com a uma extremidade da quinta seção de fluxo 502B. Na modalidade ilustrada da Figura 5, a comunicação fluida entre primeira seção de fluxo 502A e quinta seção de fluxo 502B é fornecida por um conector, por exemplo, uma junta de cotovelo de 90°. A outra extremidade da quinta seção de fluxo 502B está em comunicação fluida com

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110/132 uma extremidade da segunda seção de fluxo 502C. Na modalidade ilustrada da Figura 5, a comunicação fluida entre a quinta seção de fluxo 502B e a segunda seção de fluxo 502C é fornecida por um conector, por exemplo, uma junta de cotovelo de 90°. A outra extremidade da segunda seção de fluxo 502C está em comunicação fluida com uma extremidade da zona de fluxo substancialmente vertical 506. A outra extremidade da zona de fluxo substancialmente vertical 506 está em comunicação fluida com uma entrada da segunda zona de fluxo substancialmente horizontal 504 (e sua terceira seção de fluxo 504A) . A comunicação fluida entre zona de fluxo substancialmente vertical 506 e segunda seção de fluxo 502C e terceira seção de fluxo 504A é fornecida pelos conectores, por exemplo, juntas de cotovelo em 90°. A extremidade da terceira seção de fluxo 504A oposta à zona de fluxo vertical 506 está em comunicação fluida com a sexta seção de fluxo 504B, que tem sua outra extremidade em comunicação fluida com a quarta seção de fluxo 504C. A comunicação fluida entre sexta seção de fluxo 504B e terceira seção de fluxo 504A e quarta seção de fluxo 504C é fornecida pelos conectores, por exemplo, juntas de cotovelo em 90°. A extremidade da quarta seção de fluxo 504C oposta à sexta seção de fluxo 504B está em comunicação fluida com o recipiente de separação de gás/líquido 102.

[139] Em operação, uma mistura de múltiplas fases

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111/132 flui através da seção de ciclo 106 na direção indicada pelas setas 502A-C, 510A-C e 512. Mais especificamente, nas modalidades ilustradas, uma mistura de múltiplas fases flui através da primeira seção de fluxo 502A na direção da seta 509A, flui através da quinta seção de fluxo 502B na direção da seta 509B, flui através da segunda seção de fluxo 502C na direção da seta 509C, flui através da zona de fluxo substancialmente vertical 506 na direção da seta 512, flui através de terceira seção de fluxo 504A na direção da seta 510A, flui através da sexta seção de fluxo 504B na direção da seta 510B e flui através de quarta seção de fluxo 504C na direção da seta 510C. Desse modo, de acordo com as modalidades descritas no presente documento, a mistura de múltiplas fases flui na primeira seção de fluxo 502A em uma direção diferente da direção a mistura de múltiplas fases flui na segunda seção de fluxo 502C, quarta seção de fluxo 504C, quinta seção de fluxo 502B e sexta seção de fluxo 504B. Por exemplo, a direção que a mistura de múltiplas fases flui através da primeira seção de fluxo 502A é oposta à direção que a mistura de múltiplas fases flui na segunda seção de fluxo 502C e quarta seção de fluxo 504C e igual à direção que a mistura de múltiplas fases flui na terceira seção de fluxo 504A. A direção da mistura de múltiplas fases fluxo na primeira seção de fluxo 502A pode ser caracterizada como sendo perpendicular à direção que a mistura de múltiplas

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112/132 fases flui na sexta seção de fluxo 504B e quinta seção de fluxo 502B.

[140] A mistura de múltiplas fases flui na segunda seção de fluxo 502C se desloca em uma direção que é diferente da direção a mistura de múltiplas fases flui através da primeira seção de fluxo 502A, terceira seção de fluxo 504A, quinta seção de fluxo 502B e sexta seção de fluxo 504B e em uma direção que é igual à direção de fluxo na quarta seção de fluxo 504C. Por exemplo, a mistura de múltiplas fases flui na segunda seção de fluxo 502C em uma direção que é oposta à direção a mistura de múltiplas fases flui na primeira seção de fluxo 502A e terceira seção de fluxo 504A. Na modalidade ilustrada da Figura 5, a mistura de múltiplas fases flui através da segunda seção de fluxo 502C em uma direção que é perpendicular à direção a mistura de múltiplas fases flui na quinta seção de fluxo 502B e sexta seção de fluxo 504B.

[141] A mistura de múltiplas fases que flui na terceira seção de fluxo 504A flui em uma direção que é diferente da direção que a mistura de múltiplas fases flui na quinta seção de fluxo 502B, segunda seção de fluxo 502C, sexta seção de fluxo 504B e quarta seção de fluxo 504C e na mesma direção que a mistura de múltiplas fases flui na primeira seção de fluxo 502A. Por exemplo, a mistura de múltiplas fases flui na terceira seção de fluxo 504A em uma

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113/132 direção que é oposta à direção que a mistura de múltiplas fases flui na segunda seção de fluxo 502C e quarta seção de fluxo 504C. Na modalidade ilustrada na Figura 5, o fluxo da mistura de múltiplas fases na terceira seção de fluxo 504A ocorre em uma direção que é perpendicular à direção da mistura de múltiplas fases fluxo na sexta seção de fluxo 504B e quinta seção de fluxo 502B.

[142] A mistura de múltiplas fases que flui na quarta seção de fluxo 504C se desloca em uma direção que é diferente da direção a mistura de múltiplas fases flui através da primeira seção de fluxo 502A, quinta seção de fluxo 502B, terceira seção de fluxo 504A e sexta seção de fluxo 504B e a mesma direção que a mistura de múltiplas fases fluxo na segunda seção de fluxo 502C. Por exemplo, a mistura de múltiplas fases flui na quarta seção de fluxo 504C em uma direção que é oposta à direção a mistura de múltiplas fases flui através da primeira seção de fluxo 502A e da terceira seção de fluxo 504A. Na modalidade ilustrada na Figura 5, o fluxo da mistura de múltiplas fases na quarta seção de fluxo 504C ocorre em uma direção que é perpendicular à direção da mistura de múltiplas fases fluxo na quinta seção de fluxo 502B e sexta seção de fluxo 504B.

[143] A direção de fluxo da mistura de múltiplas fases através da sexta seção de fluxo 504B e quinta seção de fluxo 502B relativa à primeira seção de fluxo 502A, à segunda

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114/132 seção de fluxo 502C, terceira seção de fluxo 504A e à quarta seção de fluxo 504C foi descrita acima. A direção de fluxo da mistura de múltiplas fases através de quarta seção de fluxo 504C é diferente da direção da mistura de múltiplas fases fluxo através da sexta seção de fluxo 504B. Por exemplo, o fluxo da mistura de múltiplas fases através de quarta seção de fluxo 504C está em uma direção perpendicular à direção da mistura de múltiplas fases fluxo através da sexta seção de fluxo 504B.

[144] A referência à direção de fluxo na primeira seção de fluxo 502A, na segunda seção de fluxo 502C, na terceira seção de fluxo 504A, na quarta seção de fluxo 504B, na quinta seção de fluxo 502B e na sexta seção de fluxo 504B se refere à direção de fluxo de volume da mistura de múltiplas fases através da seção de ciclo 106 e não a direção de quaisquer correntes, microcorrentes, correntes parasíticas e similares que podem ocorrer no fluido de volume à medida que o mesmo flui através da seção de ciclo 106. De acordo com as modalidades ilustradas na Figura 5, a referência à direção de fluxo na primeira seção de fluxo 502A, na segunda seção de fluxo 502C, na terceira seção de fluxo 504A, na quarta seção de fluxo 504B, na quinta seção de fluxo 502B e na sexta seção de fluxo 504B é ao fluxo que ocorre substancialmente ao longo tanto do eixo geométrico x como do eixo geométrico z com base no sistema de coordenadas

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115/132 mostrado na Figura 5.

[145] Em referência continuada à Figura 5, em contraste ao fluxo que ocorre substancialmente ao longo tanto do eixo geométrico x como do eixo geométrico z na primeira seção de fluxo 502A, na segunda seção de fluxo 502C, na terceira seção de fluxo 504A, na quarta seção de fluxo 504B, na quinta seção de fluxo 502B e na sexta seção de fluxo 504B, o fluxo na zona de fluxo substancialmente vertical 506 ocorre na direção indicada pela seta 512, que é substancialmente ao longo do eixo geométrico y no sistema de coordenadas mostrado na Figura 5.

[146] A descrição do sistema exemplificativas 200 em referência à Figura 2, incluindo a descrição do subsistema de separação 250, subsistema térmico 270 e subsistema de controle 290 se aplica igualmente aos sistemas ilustrados e descritos em referência às Figuras 4 e 5. De modo similar, a descrição dos vários componentes e subsistemas do sistema exemplificativo 100 para estimular a produção de biomassa em referência à Figura 3, incluindo porém, sem limitação a descrição da operação unitária de gás/líquido 102, operação unitária de fluxo de fluido 104, subsistema de suprimento de nutriente e/ou mineral 114, operação (ou operações) unitárias de transferência de calor 116, misturadores estáticos 139, é aplicável aos sistemas ilustrados e descritos em referência às Figuras 4 e 5.

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116/132 [147] A Figura 6 mostra um método de alto nivel de operação 500 de um sistema 100 para estimular a produção de biomassa com o uso de um ou mais reatores de ciclo 101 descritos em detalhes acima em referência às Figuras 2 a 5. Tais sistemas introduzem de modo vantajoso um ou mais substratos gasosos e um meio liquido que contém um ou mais nutrientes em um meio de cultura liquido que contém pelo menos um micro-organismo com capacidade de utilizar os substratos gasosos e liquido nutrientes para crescimento. A combinação dos um ou mais substratos gasosos, meio liquido que contém um ou mais nutrientes e meio de cultura liquido que contém pelo menos um micro-organismo resulta em uma mistura de múltiplas fases que é circulada através de um reator de ciclo 101. As condições dentro do reator de ciclo 101 promovem transferência de massa de substratos gasosos no meio de cultura liquido e a captação microbiológica subsequente do substrato gasoso e liquido nutrientes, redução de pressão dentro do reator de ciclo e dessorção de gases da mistura de múltiplas fases. A mistura de múltiplas fases depois de atravessar a seção de ciclo 106 do reator de ciclo 101 é recebida por uma operação unitária de separação de gás/liquido 102 em que a mistura de múltiplas fases é separada nas fases liquidas e gasosas. O método começa em 502 .

[148] Em 504 um substrato gasoso é disperso dentro

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117/132 do meio liquido para formar a mistura de múltiplas fases.

Tal dispersão pode ocorrer na entrada 133 ou próximo da mesma da seção de ciclo 106, embora quantidades adicionais do substrato gasoso possam ser introduzidos no meio de cultura liquido em outras localizações da seção de ciclo 106. Em alguns casos, o substrato gasoso pode ser disperso em múltiplos pontos ao longo de seção de ciclo 106 e o substrato gasoso em cada dispersão ponto pode ter a mesma temperatura ou uma temperatura diferente, pressão, composição ou combinações dos mesmos. A capacidade de variar propriedades físicas ou composicionais do substrato gasoso em diferentes localizações ao longo da seção de ciclo 106 permite de modo vantajoso a adaptação do substrato gasoso não somente às espécies microbiológicas específicas presentes na mistura de múltiplas fases, mas também à localização específica da espécie microbiológica dentro da seção de ciclo 106 com base na dispersão ponto do substrato gasoso.

[149] Em 506 a mistura de múltiplas fases é fluída através da seção de ciclo 106 do reator de ciclo 101. À medida que a mistura de múltiplas fases flui através da seção de ciclo 106, a mesma entra em contato com uma pluralidade de misturadores opcionais estáticos 139, que promovem a mistura do substrato gasoso e/ou nutrientes ao meio de cultura líquido. Ajustando-se ou, de outro modo, controlando-se a taxa de fluxo da mistura de múltiplas fases

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118/132 através do reator de ciclo 101, a duração de tempo que as bolhas do substrato gasoso e nutrientes estão em contato com o micro-organismo (ou micro-organismos) pode ser modificada. Aumentar a duração de tempo que as bolhas de substrato gasoso e nutrientes estão em contato com o micro-organismo (ou micro-organismos) pode aumentar a quantidade de transferência de massa de materiais gasosos aos microorganismos e a captação microbiológica de materiais gasosos pelo micro-organismo. Em contrapartida, diminuir a duração de tempo que as bolhas de substrato gasoso e nutrientes estão em contato com o micro-organismo (ou micro-organismos) pode diminuir a quantidade de transferência de massa de materiais gasosos aos micro-organismos e a captação microbiológica de materiais gasosos pelos micro-organismos. Em alguns casos, a duração de tempo que as bolhas do substrato gasoso e nutrientes estão em contato com os micro-organismos pode ser medida e controlada. Por exemplo, um subsistema de controle 290 pode alterar, ajustar ou controlar a velocidade de fluido da mistura de múltiplas fases através do reator de ciclo. Em alguns casos, a temperatura, pressão, ou composição do substrato gasoso pode ser alterada, ajustada ou controlada por meio do subsistema de controle 290 para manter um tamanho de bolha de substrato gasoso desejado dentro de reator de ciclo 106. Em outros casos, a temperatura, pressão, ou composição do substrato gasoso pode ser alterada, ajustada

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119/132 ou controlada por meio do subsistema de controle 290 para manter a concentração de um ou mais substrato gasoso componentes (por exemplo, metano, dióxido de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, etc.) dentro da fase líquida da mistura de múltiplas fases. A taxa de transferência de massa volumétrica (kra) de um substrato gasoso aos micro-organismos e a captação microbiológica de materiais gasosos pelos micro-organismos pode ser promovida fluindo-se a mistura de múltiplas fases através de uma pluralidade das zonas de fluxo substancialmente verticais 408A, 408C, 414A, 414C, 414E e 414G descritas e ilustradas em referência às Figuras 4A-4D e 506 na Figura 5 nas quais a mistura de múltiplas fases flui substancialmente para cima, por exemplo, contra a gravidade.

[150] Em 508, a temperatura da mistura de múltiplas fases dentro de reator de ciclo 101 pode ser alterada, ajustada, ou controlada para manter a temperatura dentro de uma faixa de temperatura definida. Em pelo menos alguns casos, a faixa de temperatura definida pode ser selecionada ou de outro modo escolhida com base pelo menos em parte na espécie microbiológica usada dentro de sistema 100. O calor em excesso pode ser gerada como um subproduto pelos organismos microbiológicos responsáveis por pelo menos uma porção da atividade dentro do sistema 100. Esse calor em excesso, se deixado descontrolado, podería inibir ou afetar

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120/132 de modo adverso o crescimento ou metabolismo de alguns ou todos os organismos microbiológicos dentro do sistema 100. Em pelo menos alguns casos, resfriar da mistura de múltiplas fases no reator de ciclo 101 pode ser fornecido para manter a temperatura da mistura de múltiplas fases no reator de ciclo 101 dentro de uma faixa definida. Tal resfriamento pode incluir a passagem de um meio de resfriamento através de reservatórios ou bobinas acopladas de modo termicamente condutor ao reator de ciclo 101 ou um conduto que tem porção desviada da mistura de múltiplas fases fora do reator de ciclo 101 a uma operação unitária de transferência de calor 116. Em pelo menos alguns casos, o subsistema de controle 290 pode controlar a taxa de fluxo ou temperatura do meio de resfriamento atravessado pelos reservatórios ou bobinas que são acoplados de modo termicamente condutor ao reator de ciclo 101 ou um conduto que divergiu uma porção da mistura de múltiplas fases fora do reator de ciclo 101 a uma operação unitária de transferência de calor 116. Em outros casos, o calor produzido pela espécie microbiológica pode ser insuficiente para manter a mistura de múltiplas fases no reator de ciclo 101 dentro de uma faixa de temperatura desejada. Isso pode ocorrer, por exemplo, em ambientes extremamente frios em que o reator de ciclo 101 é localizado em uma localização exterior exposta ou parcialmente exposta. Em alguns casos, os reservatórios ou bobinas acoplados de

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121/132 modo termicamente condutor ao reator de ciclo 101 ou ao conduto que tem porção desviada da mistura de múltiplas fases fora do reator de ciclo 101 a uma operação unitária de transferência de calor 116 pode ser usada para aquecer a mistura de múltiplas fases. Em pelo menos alguns casos, o subsistema de controle 290 pode controlar a taxa de fluxo ou temperatura do meio de aquecimento atravessado pelo reservatórios ou bobinas 140 que são acoplados de modo termicamente condutor ao reator de ciclo 101 ou ao conduto que tem porção desviada da mistura de múltiplas fases fora do reator de ciclo 101 a uma operação unitária de transferência de calor 116.

[151] Em 510, a pressão nas bolhas de substrato gasoso que se deslocam com a mistura de múltiplas fases através do reator de ciclo 101 a jusante da pluralidade de zonas de fluxo substancialmente verticais 408A, 408C, 414A, 414C, 414E e 414G das Figuras 4A a 4D ou 506 na Figura 5 nas quais a mistura de múltiplas fases flui substancialmente para cima, por exemplo, contra a gravidade pode ser diminuída fluindo-se a mistura de múltiplas fases através de um primeiro dispositivo de redução de pressão. Em alguns casos, a pressão nas bolhas de substrato gasoso é diminuída fluindose a mistura de múltiplas fases através de um primeiro dispositivo de redução de pressão que não se baseia em diferenças de pressão hidrostática para causar uma redução

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122/132 de pressão. Em outras palavras, em alguns casos, a pressão nas bolhas de substrato gasoso que se desloca com a mistura de múltiplas fases através do reator de ciclo 101 a jusante da pluralidade de zonas de redução de pressão substancialmente verticais 408A, 408C, 414A, 414C, 414E e 414G das Figuras 4A a 4D ou 506 na Figura 5 é diminuída sem uma mudança na elevação da linha central do reator de ciclo

101 na saída da primeira zona de redução de pressão 108 relativa à elevação da linha central do reator de ciclo 101 na entrada à primeira zona de redução de pressão 108. A diminuição de pressão 510 pode, em alguns casos, aumentar de modo vantajoso a taxa na qual as bolhas de substrato gasoso e outros gases passaram por dessorção a partir da mistura de múltiplas fases.

[152] Em 512, a mistura de múltiplas fases sai da primeira zona de redução de pressão 108 e flui ao recipiente de separação de gás/líquido 102. O material gasoso que passaram por dessorção a partir da mistura de múltiplas fases também pode fluir ao recipiente de separação de gás/líquido

102 junto com a mistura de múltiplas fases. A mistura de múltiplas fases que entra no recipiente de separação de gás/líquido 102 pode incluir, porém, sem limitação o líquido que contém nutrientes não absorvidos, micro-organismos e bolhas de substrato gasoso que contém substrato gasoso não dissolvido e não absorvido. Gases e líquido que entram no

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123/132 recipiente de separação de gás/líquido 102 se separam em uma fase gasosa e uma fase líquida dentro de recipiente de separação de gás/líquido 102. Gases podem ser coletados do espaço livre do recipiente de separação de gás/líquido 102 enquanto líquido pode ser removido do fundo do recipiente de separação de gás/líquido 102. Adicionalmente ao líquido, micro-organismos também podem ser coletados no recipiente de separação de gás/líquido 102 e removidos do fundo do mesmo. O líquido e micro-organismos removidos do fundo do recipiente de separação de gás/líquido 102 podem ser entregues à entrada 129 da operação unitária de fluxo de fluido 104 para recirculação através do reator de ciclo 101. Em pelo menos alguns casos, pelo menos uma porção do gás coletado pode ser subsequentemente processada ou separada. Pelo menos uma porção do gás coletado pode ser reciclada ao reator de ciclo como um substrato gasoso. Em alguns casos, pelo menos uma porção do gás coletado pode ser vendida ou de outro modo descartada. Em pelo menos alguns casos, pelo menos uma porção do gás coletado pode ser vendida ou trocada como um bem fungível. Em pelo menos alguns casos, o gás coletado pode incluir um ou mais gases de hidrocarboneto C2+ e compostos baseados no mesmo que tem valor tanto como um produto acabado como como uma matéria-prima em um processo subsequente. Em alguns casos, o reator é usado para produzir produtos naturais ou não naturais, tais como etanol, acetato, butanol,

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124/132 isopreno, propileno, farneseno, enzimas, ou outros metabolites ou produtos celulares em que o produto é derivado de um micro-organismo. Em tais casos, os produtos podem estar presentes tanto no efluente gasoso 123 como no efluente líquido 125 dependendo das propriedades físicas do produto.

[153] Em pelo menos alguns casos, pelo menos uma porção do líquido coletado pode ser subsequentemente processada ou separada. Por exemplo, pelo menos uma porção do líquido separado da mistura de múltiplas fases, que pode ou não incluir biossólidos, pode ser reciclada através do reator de ciclo 101. Por exemplo, pelo menos uma porção do líquido separado que contém biossólidos pode ser combinada com líquidos adicionais e fluídos através do reator de ciclo 101. Tal reciclagem pode fornecer de modo vantajoso um inoculação em curso, contínua ou semicontínua do reator de ciclo 101 com espécies biológicas estabelecidas. Em alguns casos, pelo menos uma porção do líquido separado pode ser coletada e vendida ou de outro modo descartada. Em pelo menos alguns casos, pelo menos uma porção do líquido separado pode ser vendida ou trocada como um bem fungível. Em pelo menos alguns casos, o líquido separado pode incluir um ou mais líquidos de hidrocarboneto C2+, incluindo porém, sem limitação um ou mais álcoois, glicóis ou cetonas.

[154] Em 514, micro-organismos do recipiente de separação de gás/líquido 102 podem ser removidos a montante

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125/132 da operação unitária de fluxo de fluido 104 ou a jusante da operação unitária de fluxo de fluido 104, por exemplo, na porta de remoção de biomassa 128. Os micro-organismos coletados podem ser adicionalmente processados para recuperar produtos desejados. Em alguns casos, os microorganismos coletados por meio da porta de remoção de biomassa 128 podem ser introduzidos a um subsistema de separação 250 para processamento e recuperação de produtos desejados.

[155] A Figura 7 mostra um método de alto nível para estimular a produção de biomassa 600 que utiliza um sistema 100 que inclui um ou mais reatores de ciclo 101 descritos em detalhes acima em relação às Figuras 2 a 5. O método de produção de biomassa exemplificativo 600 usa etapas idênticas ou quase idênticas a aquelas descritas em detalhes em relação ao método para estimular a produção do método de biomassa 500 discutido em detalhes em referência à Figura 6, com a exceção de que o método para estimular a produção de biomassa 600 inclui uma etapa de reduzir a pressão nas bolhas gasosas dentro da mistura de múltiplas fases no reator de ciclo passando-se a mistura de múltiplas fases através de uma segunda zona de redução de pressão. As descrições das etapas 502, 504, e 508 na Figura 6 se aplicam às etapas 602, 604, e 608 da Figura 7, respectivamente. A descrição da etapa 514 da Figura 6 se aplica à etapa 616 da Figura 7.

[156] Em 606 a mistura de múltiplas fases é fluida

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126/132 através da seção de ciclo 106 do reator de ciclo 101. À medida que a mistura de múltiplas fases flui através da seção de ciclo 106, a mesma entra em contato com uma pluralidade opcional de misturadores estáticos 139, que promovem a mistura do substrato gasoso e/ou nutrientes ao meio de cultura líquido. Ajustando-se ou, de outro modo, controlando-se a taxa de fluxo da mistura de múltiplas fases através do reator de ciclo 101, a duração de tempo que as bolhas do substrato gasoso e nutrientes estão em contato com o micro-organismo (ou micro-organismos) pode ser modificada. Aumentar a duração de tempo que as bolhas de substrato gasoso e nutrientes estão em contato com o micro-organismo (ou micro-organismos) pode aumentar a quantidade de transferência de massa de materiais gasosos aos microorganismos e a captação microbiológica de materiais gasosos pelo micro-organismo. Em contrapartida, diminuir a duração de tempo que as bolhas de substrato gasoso e nutrientes estão em contato com o micro-organismo (ou micro-organismos) pode diminuir a quantidade de transferência de massa de materiais gasosos aos micro-organismos e a captação microbiológica de materiais gasosos pelos micro-organismos. Em alguns casos, a duração de tempo que as bolhas do substrato gasoso e nutrientes estão em contato com os micro-organismos pode ser medida e controlada. Por exemplo, um subsistema de controle 290 pode alterar, ajustar ou controlar a velocidade de fluido

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127/132 da mistura de múltiplas fases através do reator de ciclo. Em alguns casos, a temperatura, pressão, ou composição do substrato gasoso pode ser alterada, ajustada ou controlada por meio do subsistema de controle 290 para manter um tamanho de bolha de substrato gasoso desejado dentro de reator de ciclo 106. Em outros casos, a temperatura, pressão, ou composição do substrato gasoso pode ser alterada, ajustada ou controlada por meio do subsistema de controle 290 para manter a concentração de um ou mais substrato gasoso componentes (por exemplo, metano, dióxido de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, etc.) dentro da fase líquida da mistura de múltiplas fases. A taxa de transferência de massa volumétrica (kra) de um substrato gasoso nos micro-organismos e a captação microbiológica de materiais gasosos pelos micro-organismos pode ser promovida fluindo-se a mistura de múltiplas fases através das zonas de fluxo substancialmente verticais 408A, 408C, 414A, 414C, 414E e 414G das Figuras 4A a 4D ou 506 na Figura 5.

[157] Em 610, a pressão nas bolhas de substrato gasoso que se desloca com a mistura de múltiplas fases através do reator de ciclo 101 a jusante das zonas de fluxo substancialmente verticais 408A, 4080, 414A, 414C, 414E e 414G das Figuras 4A a 4D ou 506 na Figura 5 é diminuída fluindo-se a mistura de múltiplas fases através de um primeiro dispositivo de redução de pressão. Em alguns casos,

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128/132 a pressão nas bolhas de substrato gasoso (e também do liquido) é diminuída fluindo-se a mistura de múltiplas fases através de um primeiro dispositivo de redução de pressão que não se baseia em diferenças de pressão hidrostática para causar uma redução de pressão. Em outras palavras, em alguns casos, a pressão nas bolhas de substrato gasoso que se desloca com a mistura de múltiplas fases através do reator de ciclo 101 a jusante das zonas de fluxo substancialmente verticais 408A, 408C, 414A, 414C, 414E e 414G das Figuras 4A a 4D ou 50 6 na Figura 5 é diminuída sem uma mudança na elevação da linha central do reator de ciclo 101 na saída da primeira zona de redução de pressão 108 relativa à elevação da linha central do reator de ciclo 101 na entrada à primeira zona de redução de pressão 108. A diminuição de pressão 510 pode, em alguns casos, aumentar de modo vantajoso a taxa na qual as bolhas de substrato gasoso e outros gases passaram por dessorção a partir da mistura de múltiplas fases.

[158] Em 612 na Figura 7, a pressão nas bolhas de substrato gasoso que se desloca com a mistura de múltiplas fases através do reator de ciclo 101 a jusante das zonas de fluxo substancialmente verticais 408A, 408C, 414A, 414C, 414E e 414G das Figuras 4A a 4D ou 506 na Figura 5 é diminuída fluindo-se a mistura de múltiplas fases a partir da primeira zona de redução de pressão 108 a uma segunda zona de redução de pressão 112. Em alguns casos, em 612, a pressão nas bolhas

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129/132 de substrato gasoso é diminuída fluindo-se a mistura de múltiplas fases através de um segundo dispositivo de redução de pressão que não se baseia nas diferenças de pressão hidrostática para causar uma redução de pressão. Em outras palavras, em alguns casos, em 612, a pressão nas bolhas de substrato gasoso que se desloca com a mistura de múltiplas fases através do reator de ciclo 101 é diminuída sem uma mudança na elevação da linha central do reator de ciclo 101 na saída da segunda zona de redução de pressão 112 relativa à elevação da linha central do reator de ciclo 101 na entrada à segunda zona de redução de pressão 112. Em alguns casos, quando pressão nas bolhas de substrato gasoso é reduzida em ambas as etapas 610 e 612, a magnitude da diminuição de pressão em 612 pode ser menor em comparação à magnitude da diminuição de pressão em 610. Em alguns casos, essas diminuições de pressão aumentam de modo vantajoso a taxa na qual as bolhas de substrato gasoso e outros gases passam por dessorção a partir da mistura de múltiplas fases.

[159] A descrição acima das modalidades ilustradas, incluindo o que é descrito no Resumo, não se destina a ser exaustiva ou a limitar as modalidades às formas precisas reveladas. Embora modalidades específicas e exemplos sejam descritos no presente documento para fins ilustrativos, várias modificações equivalentes pode ser realizadas sem se afastar do espírito e escopo da revelação, conforme será

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130/132 reconhecido pelos elementos versados na técnica relevante. Os ensinamentos fornecidos no presente documento das várias modalidades podem ser aplicados a outros sistemas para estimular a produção de biomassa, fermentadores e sistemas de fermentação. Tais sistemas para estimular a produção de biomassa, fermentadores e sistemas de fermentação pode incluir reatores de ciclo ou fermentadores para propósitos diferentes da produção de intermediário químico, e pode incluir reatores de ciclo, fermentadores e sistemas de fermentação úteis em alimentos de humanos e de animais ou produção de bebidas. De modo similar, os sistemas auxiliares descritos no presente documento, incluindo a operação unitária de resfriamento de separação de gás/líquido, operação unitária de fluxo de fluido, subsistema de suprimento de nutriente, operação unitária de transferência de calor e o subsistema de controle pode incluir um único sistema, por exemplo, um trocador de calor de pacote ou sistema de controle de pacote, ou pode incluir um subsistema projetado personalizado incluindo qualquer número de subcomponentes que são acoplados de modo físico, fluido e comunicativo que maneira que facilita a produção de controle e distribuição de meio de resfriamento ou aquecimento (isto é, pela operação unitária de transferência de calor), facilita a separação de pelo menos uma porção da mistura de múltiplas fases em um gás, líquido, e semissólido for

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131/132 reciclagem ou para recuperação e processamento subsequente ou venda (isto é, pela operação unitária de separação de gás/liquido). 0 subsistema de controle pode incluir um sistema de controle integrado ou distribuído que fornece monitoramento, alarme, controle, e saída de controle para toda ou uma porção do sistema de produção de biomassa ou qualquer um dos subsistemas auxiliares. 0 subsistema de controle também pode incluir qualquer número de individual controladores de ciclo e similares para o controle de um ou mais aspectos da sistema de produção de biomassa ou qualquer um dos subsistemas auxiliares.

[160] A descrição detalhada precedente apresentou várias modalidades dos dispositivos e/ou processos por meio do uso de fluxogramas de processo e métodos exemplificativos. À medida que tais diagramas de blocos, esquemas, e exemplos contêm uma ou mais funções e/ou operações, será entendido pelos especialistas no assunto que cada função e/ou operação dentro de tais diagramas de blocos, fluxogramas, ou exemplos podem ser implantados, individual e/ou coletivamente, com o uso de ampla faixa de componentes fora de prateleira ou personalizados que são conhecidos pelos especialistas na técnica de engenharia química. As espécies microbiológicas listadas no presente documento são destinadas a fornecer uma amostra das espécies microbiológicas potenciais que podem ser suportadas em um sistema para promover a produção de

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132/132 biomassa e reatores de ciclo conforme descrito no presente documento.

[161] As várias modalidades descritas acima podem ser combinadas para fornecer modalidades adicionais. Essas e outras mudanças podem ser realizadas às modalidades em luz da descrição detalhada acima. Em general, nas reivindicações a seguir, os termos usados não devem ser interpretados para limitar as reivindicações às modalidades especificas reveladas no relatório descritivo e nas reivindicações, mas devem ser interpretadas para incluir todas as modalidades possíveis junto com o escopo total dos equivalentes aos quais todas as reivindicações são intituladas. Consequentemente, as reivindicações não são limitadas pela revelação.

Claims (16)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Sistema para estimular a produção de biomassa caracterizado pelo fato de que compreende:

   um reator de ciclo, sendo que o reator de ciclo inclui:

   um recipiente de separação de gás/liquido para separar uma mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura liquido em uma fase gasosa e uma fase liquida, sendo que o recipiente de separação de gás/liquido inclui uma salda e uma entrada;

   uma seção de ciclo que inclui:

   uma entrada em comunicação fluida com a salda do recipiente de separação de gás/liquido e uma salda em comunicação fluida com a entrada do recipiente de separação de gás/liquido;

   pelo menos uma zona substancialmente horizontal entre a entrada de seção de ciclo e a salda de seção de ciclo;

   uma primeira zona de fluxo substancialmente vertical, sendo a primeira zona de fluxo substancialmente vertical localizada entre a entrada da seção de ciclo e a salda da seção de ciclo; e uma segunda zona de fluxo substancialmente vertical, sendo a segunda zona de fluxo substancialmente vertical localizada entre a primeira zona de fluxo substancialmente vertical e a salda da seção de ciclo, em operação, a mistura de múltiplas fases flui através da segunda zona de fluxo

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2. 2/13 substancialmente vertical e a mistura de múltiplas fases flui através da primeira zona de fluxo substancialmente vertical na mesma direção.

   2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma terceira zona de fluxo substancialmente vertical, sendo a terceira zona de fluxo substancialmente vertical localizada entre a segunda zona de fluxo substancialmente vertical e a saída da seção de ciclo, em operação, a mistura de múltiplas fases flui através da terceira zona de fluxo substancialmente vertical na mesma direção à medida que a mistura de múltiplas fases flui através da primeira zona de fluxo substancialmente vertical e da segunda zona de fluxo substancialmente vertical.
3. 3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a transferência de massa entre o gás e o meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na pelo menos uma zona substancialmente horizontal, quando o reator de ciclo está em operação, é definida por uma taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra), a transferência de massa entre o gás e o meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na primeira zona de fluxo substancialmente vertical, quando o reator de ciclo está em operação, é definida por uma primeira taxa de transferência de massa

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   3/13 volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra), e a transferência de massa entre o gás e o meio de cultura liquido da mistura de múltiplas fases na segunda zona de fluxo substancialmente vertical, quando o reator de ciclo está em operação, é definida por uma segunda taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra), em que pelo menos uma dentre a primeira taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra) e a segunda taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra) é 2 a 5 vezes maior do que a taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra).
4. 4. Sistema para estimular a produção de biomassa caracterizado pelo fato de que compreende:

   um reator de ciclo, sendo que o reator de ciclo inclui:

   um recipiente de separação de gás/liquido para separar uma mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura liquido em uma fase gasosa e uma fase liquida, sendo que o recipiente de separação de gás/liquido inclui uma salda e uma entrada;

   uma seção de ciclo que inclui:

   uma entrada em comunicação fluida com a salda do recipiente de separação de gás/liquido e uma salda em comunicação fluida com a entrada do recipiente de separação

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   4/13 de gás/líquido;

   uma primeira zona substancialmente horizontal entre a entrada de seção de ciclo e a saída de seção de ciclo, sendo que a primeira zona substancialmente horizontal inclui uma primeira seção de fluxo em que, quando o reator de ciclo está em operação, a mistura de múltiplas fases flui em uma primeira direção e uma segunda seção de fluxo em que, quando o reator de ciclo está em operação, a mistura de múltiplas fases flui em uma segunda direção que é diferente da primeira direção;

   uma segunda zona substancialmente horizontal entre a entrada de seção de ciclo e a saída de seção de ciclo, sendo que a segunda zona substancialmente horizontal inclui uma terceira seção de fluxo em que, quando o reator de ciclo está em operação, a mistura de múltiplas fases flui em uma terceira direção e uma quarta seção de fluxo em que, quando o reator de ciclo está em operação, a mistura de múltiplas fases flui em uma quarta direção diferente da terceira direção; e pelo menos uma zona de fluxo substancialmente vertical entre a primeira zona substancialmente horizontal e a segunda zona substancialmente horizontal.
5. 5. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a primeira zona substancialmente horizontal da seção de ciclo compreende

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   5/13 adicionalmente uma quinta seção de fluxo em que, quando o reator de ciclo está em operação, o líquido de múltiplas fases flui em uma quinta direção diferente da primeira direção de fluxo na primeira seção de fluxo e diferente da segunda direção de fluxo na segunda seção de fluxo.
6. 6. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a segunda zona substancialmente horizontal da seção de ciclo compreende adicionalmente uma sexta seção de fluxo em que, quando o reator de ciclo está em operação, o líquido de múltiplas fases flui em uma sexta direção diferente da terceira direção de fluxo na terceira seção de fluxo e diferente da quarta direção de fluxo na quarta seção de fluxo.
7. 7. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a transferência de massa entre o gás e o meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na primeira zona substancialmente horizontal, quando o reator de ciclo está em operação, é definida por uma primeira taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra), a transferência de massa entre o gás e o meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na segunda zona substancialmente horizontal, quando o reator de ciclo está em operação, é definida por uma segunda taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra), e a transferência de

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   6/13 massa entre o gás e o meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na pelo menos uma zona de fluxo substancialmente vertical, quando o reator de ciclo está em operação, é definida por uma taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra), em que a taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra) é 2 a 5 vezes maior do que pelo menos uma dentre a primeira taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra) e a segunda taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra).
8. 8. Processo para estimular a produção de biomassa em um reator de ciclo caracterizado pelo fato de que compreende:

   passar uma mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido através de uma primeira zona de fluxo substancialmente vertical do reator de ciclo;

   na primeira zona de fluxo substancialmente vertical, transferir o gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases;

   passar a mistura de múltiplas fases de gás e um meio de cultura líquido através de uma zona substancialmente horizontal do reator de ciclo;

   na zona substancialmente horizontal, transferir o gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases;

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   7/13 passar a mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura liquido através de uma segunda zona de fluxo substancialmente vertical do reator de ciclo, sendo que a mistura de múltiplas fases atravessa a segunda zona de fluxo substancialmente vertical e a mistura de múltiplas fases atravessa a primeira zona de fluxo substancialmente vertical na mesma direção;

   na segunda zona de fluxo substancialmente vertical, transferir o gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura liquido da mistura de múltiplas fases;

   separar a mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura liquido em uma fase gasosa e uma fase liquida a jusante da segunda zona de fluxo substancialmente vertical;

   passar a fase gasosa e a fase liquida separadas da mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido em um recipiente de separação de gás/líquido através de uma entrada ao recipiente de separação de gás/líquido; e remover uma fase liquida de uma saída do recipiente de separação de gás/líquido e entregar a fase liquida removida a uma entrada de uma seção de ciclo do reator de ciclo.
9. 9. Processo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:

   passar a mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura liquido através de uma terceira zona de fluxo substancialmente vertical do reator de ciclo, sendo que a

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   8/13 mistura de múltiplas fases atravessa a terceira zona de fluxo substancialmente vertical na mesma direção a mistura de múltiplas fases atravessa a primeira zona de fluxo substancialmente vertical e a segunda zona de fluxo substancialmente vertical;

   na terceira zona de fluxo substancialmente vertical, transferir o gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases.
10. 10. Processo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a transferência do gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na primeira zona de fluxo substancialmente vertical ocorre em uma primeira taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra), a transferência do gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na zona substancialmente horizontal ocorre em uma taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra), e a transferência do gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na segunda zona de fluxo substancialmente vertical ocorre em uma segunda taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra), em que pelo menos uma dentre a primeira taxa de transferência de massa volumétrica da

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    9/13 zona de fluxo substancialmente vertical (kra) e a segunda taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra) é 2 a 5 vezes maior do que a taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra).
11. 11. Processo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a transferência do gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na terceira zona de fluxo substancialmente vertical ocorre em uma terceira taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra), em que a terceira taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra) é 2 a 5 vezes maior do que a taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra) .
12. 12. Processo para estimular a produção de biomassa em um reator de ciclo caracterizado pelo fato de que compreende:

    passar uma mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido através de uma primeira zona substancialmente horizontal do reator de ciclo;

    na primeira zona substancialmente horizontal, transferir o gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases, fluir a mistura de múltiplas fases em uma primeira direção através

    Petição 870190062953, de 05/07/2019, pág. 168/183

    10/13 de uma primeira seção de fluxo da primeira zona substancialmente horizontal e fluir a mistura de múltiplas fases em uma segunda direção através de uma segunda seção de fluxo da primeira zona substancialmente horizontal, sendo que a primeira direção é diferente da segunda direção;

    passar a mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido através de uma zona de fluxo substancialmente vertical do reator de ciclo e na zona de fluxo substancialmente vertical transferir o gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases;

    passar a mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido através de uma segunda zona substancialmente horizontal do reator de ciclo;

    na segunda zona substancialmente horizontal, transferir o gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases, fazer fluir a mistura de múltiplas fases em uma terceira direção através de uma terceira seção de fluxo da segunda zona substancialmente horizontal e fazer fluir a mistura de múltiplas fases em uma quarta direção através de uma quarta seção de fluxo da segunda zona substancialmente horizontal, sendo que a terceira direção é diferente da quarta direção;

    separar a mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido em uma fase gasosa e uma fase líquida

    Petição 870190062953, de 05/07/2019, pág. 169/183

    11/13 a jusante da segunda zona substancialmente horizontal;

    passar a fase gasosa e a fase líquida separadas da mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido em um recipiente de separação de gás/líquido através de uma entrada ao recipiente de separação de gás/líquido; e remover uma fase líquida de uma saída do recipiente de separação de gás/líquido e entregar a fase líquida removida a uma entrada de uma seção de ciclo do reator de ciclo.
13. 13. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que passar a mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido através da primeira zona substancialmente horizontal compreende adicionalmente:

    fluir a mistura de múltiplas fases em uma quinta direção através de uma quinta seção de fluxo da primeira zona substancialmente horizontal, sendo que a quinta direção é diferente da primeira direção de fluxo na primeira seção de fluxo e é diferente da segunda direção de fluxo na segunda seção de fluxo.
14. 14. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que passar a mistura de múltiplas fases de um gás e um meio de cultura líquido através da segunda zona substancialmente horizontal compreende adicionalmente:

    fluir a mistura de múltiplas fases em uma sexta direção

    Petição 870190062953, de 05/07/2019, pág. 170/183

    12/13 através de uma sexta seção de fluxo da segunda zona substancialmente horizontal, sendo que a sexta direção é diferente da terceira direção de fluxo na segunda seção de

    fluxo e é diferente da quarta direção de fluxo na quarta seção de fluxo. 15. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que transfer ir o gás da mistura

    de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na primeira zona substancialmente horizontal ocorre em uma primeira taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra), transferir o gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na zona de fluxo substancialmente vertical ocorre em uma taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra), e transferir o gás da mistura de múltiplas fases ao meio de cultura líquido da mistura de múltiplas fases na segunda zona substancialmente horizontal ocorre em uma segunda taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra), em que a taxa de transferência de massa volumétrica da zona de fluxo substancialmente vertical (kra) é 2 a 5 vezes maior do que pelo menos uma dentre a primeira taxa de transferência de massa volumétrica da zona substancialmente horizontal (kra) e a segunda taxa de transferência de massa volumétrica

    Petição 870190062953, de 05/07/2019, pág. 171/183

    13/13 da zona substancialmente horizontal (kra).
15. 16. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a segunda zona de fluxo horizontal cruza a primeira zona de fluxo horizontal.
16. 17. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que passar a mistura de múltiplas fases através da segunda zona de fluxo horizontal inclui passar a mistura de múltiplas fases na segunda zona de fluxo horizontal através da primeira zona de fluxo horizontal.