BR112019017182A2

BR112019017182A2 - sistemas e métodos de fermentação aeróbica

Info

Publication number: BR112019017182A2
Application number: BR112019017182A
Authority: BR
Inventors: Fernandes Martins Bianca; C Rosenfeld Devon; Raquel Maia Tebeka Iris; J Pressler James; Richard Biggs John; K Kar Kishore; S Deshpande Suraj
Original assignee: Dow Global Technologies Llc
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2020-04-14
Also published as: US20190367862A1; EP3592835A1; EP3592835B1; WO2018165411A1; CN110325630A; ES2914725T3; US11326139B2; CN110325630B; CA3056068A1

Abstract

trata-se de um sistema para fermentação aeróbica que inclui um vaso, um sistema de aeração que inclui um aspersor de gás acoplado de maneira fluida ao vaso a fim de introduzir um gás comprimido em um volume interno do vaso e um ciclo de recirculação acoplado de maneira fluida a uma saída do vaso. o ciclo de recirculação inclui um edutor acoplado de maneira fluida a uma fonte de gás que contêm oxigênio, um misturador estático a jusante do edutor, um trocador de calor a jusante do edutor e um distribuidor a jusante do trocador de calor. o distribuidor é acoplado de maneira fluida ao vaso. o sistema de aeração fornece mistura e transferência de massa de e oxigênio à composição de fermentação no vaso. a composição de fermentação passa através do edutor, misturador estático, trocador de calor e distribuidor do ciclo de recirculação e de volta no vaso. o oxigênio é transferido de um gás que contém oxigênio para a composição de fermentação, e o calor é removido da composição de fermentação no ciclo de recirculação.

Description

“SISTEMAS E MÉTODOS DE FERMENTAÇÃO AERÓBICA” REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDO RELACIONADO [0001] O presente pedido reivindica a prioridade do Pedido de Patente Provisório n² U.S. 62/469.796 depositado em 10 de março de 2017, que é incorporado ao presente documento a título de referência em sua totalidade.

CAMPO TÉCNICO [0002] As modalidades da presente divulgação se referem, de modo geral, a sistemas e métodos de fermentação aeróbica, em particular, sistemas de fermentação aeróbica para conduzir fermentação aeróbica em taxas de produção maiores em vasos de grandes volumes.

ANTECEDENTES [0003] A fermentação pode ser usada para converter materiais orgânicos em um ou mais compostos através do metabolismo microbiano por micro-organismos. Esses compostos são removidos do caldo de fermentação como produtos comerciais ou matérias-primas ou intermediários para. A condução de processos de fermentação na presença de oxigênio para criar condições aeróbicas pode ser denominada de fermentação aeróbica. O sucesso de processos de fermentação aeróbica depende da capacidade para oxigenar o caldo de fermentação. Em particular, uma taxa de transferência de massa do oxigênio no caldo de fermentação deve ser mantida pelo menos igual à taxa de absorção mínimo do oxigênio devido a um determinado metabolismo microbiano. Isso garante que o oxigênio consumido pelo metabolismo microbiano seja reabastecido suficientemente no caldo de fermentação e impede que o processo de fermentação passe para fermentação anaeróbica e/ou, falta de oxigênio, o que pode causar mudança na trajetória metabólica dos microorganismos, taxa de metabolismo ou morte dos micro-organismos. A fermentação aeróbica gera calor, o que precisa ser removido do caldo de

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2JX7 fermentação.

[0004] Muitos processos de fermentação aeróbica empregam vasos agitados com aspersão de ar para manter a oxigenação do caldo de fermentação. No entanto, a agitação motorizada se torna inviável em capacidades de fermentação, tipicamente maior que 500 m³. Nesses volumes, a agitação motorizada suficiente para manter a oxigenação do caldo de fermentação pode ser proibitivamente dispendiosa. Além disso, os estresses mecânicos resultantes na fermentação, devido ao qual os motores são acoplados, podem desafiar a integridade estrutural do vaso de fermentação. A capacidade de um sistema de fermentação aeróbica agitado é, então, limitada por (i) custo e disponibilidade do acionamento, assim como (ii) resistência mecânica do fermentador.

SUMÁRIO [0005] Consequentemente, há necessidade contínuas de sistemas e métodos aprimorados para conduzir fermentações aeróbicas em maiores capacidades de produção. As modalidades da presente divulgação se referem a sistemas e métodos de fermentação aeróbica para conduzir fermentação aeróbica em maiores capacidades de produção com o uso de vasos de maior volume.

[0006] De acordo com uma modalidade, um sistema para fermentação aeróbica inclui um vaso, um sistema de aeração que compreende um aspersor de gás acoplado de maneira fluida ao vaso e posicionado para introduzir um gás comprimido a um volume interno do vaso e um ciclo de recirculação acoplado de maneira fluida a uma saída do vaso. O ciclo de recirculação compreende pelo menos um edutor acoplado de maneira fluida a uma fonte de gás que contêm oxigênio, pelo menos um misturador estático a jusante do pelo menos um edutor, pelo menos um trocador de calor a jusante do pelo menos um edutor e pelo menos um distribuidor a jusante do pelo menos um misturador estático e do pelo menos um trocador de calor. O pelo menos um

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3/47 distribuidor é acoplado de maneira fluida ao volume interno do vaso. Quando uma composição de fermentação é introduzida ao vaso, o aspersor de gás e o ciclo de recirculação fornecem mistura na composição de fermentação, e uma corrente da composição de fermentação passa do vaso no ciclo de recirculação, através do pelo menos um edutor, do pelo menos um misturador estático e do pelo menos um trocador de calor do ciclo de recirculação e passa para fora do pelo menos um distribuidor de volta para o volume interno do vaso.

[0007] Em outra modalidade, um método para conduzir fermentação aeróbica inclui introduzir uma composição de fermentação a um vaso, aspergir um primeiro corrente de gás que contém oxigênio na composição de fermentação e passar uma corrente da composição de fermentação em um ciclo de recirculação que compreende pelo menos um edutor, pelo menos um misturador estático a jusante do pelo menos um edutor e pelo menos um trocador de calor a jusante do pelo menos um edutor. O método inclui adicionalmente eduzir uma segunda corrente de gás que contém oxigênio na corrente da composição de fermentação com o pelo menos um edutor para produzir uma corrente combinada que compreende uma fase líquida e uma fase gasosa. A fase líquida compreende a composição de fermentação, e a fase gasosa compreende o segundo gás que contém oxigênio. O método inclui adicionalmente transferir oxigênio da fase gasosa para a fase líquida com o uso do pelo menos um misturador estático a fim de produzir uma composição de fermentação oxigenada a fase líquida, remover o calor da composição de fermentação oxigenada com o uso do pelo menos um trocador de calor e passar a composição de fermentação oxigenada do ciclo de recirculação de volta para o vaso.

[0008] Recursos e vantagens adicionais das modalidades descritas serão apresentados na descrição detalhada a seguir e, em parte, ficarão prontamente evidentes para as pessoas versadas na técnica a partir desta descrição ou serão reconhecidos por meio da prática das modalidades descritas, incluindo a descrição detalhada a seguir, as

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MM reivindicações assim como os desenhos anexos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0009] A descrição detalhada a seguir das modalidades da presente divulgação pode ser mais bem entendidas quando lida em combinação com os desenhos a seguir, em que a estrutura semelhante é indicada com referências numéricas e em que:

[0010] a Figura 1 retrata esquematicamente um sistema para conduzir fermentação aeróbica, em conformidade com uma ou mais modalidades da presente divulgação;

[0011] a Figura 2 retrata esquematicamente um misturador estático do sistema para conduzir fermentação aeróbica da Figura 1, em conformidade com uma ou mais modalidades da presente divulgação;

[0012] a Figura 3 retrata esquematicamente um distribuidor do sistema para conduzir fermentação aeróbica da Figura 1, em conformidade com uma ou mais modalidades da presente divulgação;

[0013] a Figura 4 retrata esquematicamente outro sistema para conduzir fermentação aeróbica, em conformidade com uma ou mais modalidades da presente divulgação;

[0014] a Figura 5 é uma plotagem da eficiência de transferência de oxigênio com uma função da taxa de fluxo de volume de gás por minuto, por unidade de volume de líquido (VVM) para um sistema de aeração do sistema para conduzir fermentação aeróbica da Figura 1 independente da operação de um ciclo de recirculação do sistema, em conformidade com uma ou mais modalidades da presente divulgação;

[0015] a Figura 6 é uma plotagem da eficiência de transferência de oxigênio média como uma função de altura de líquido para um sistema de aeração do sistema para conduzir fermentação aeróbica da Figura 1 independente da operação de um ciclo de recirculação do sistema, em conformidade com uma ou mais modalidades da presente divulgação;

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5/47 [0016] a Figura 7 retrata esquematicamente um aparelho de laboratório para avaliar a eficiência de transferência de oxigênio de um ciclo de recirculação no Exemplo 2, em conformidade com uma ou mais modalidades da presente divulgação;

[0017] a Figura 8A é uma fotografia de um misturador estático do aparelho de laboratório da Figura 7, em conformidade com uma ou mais modalidades da presente divulgação;

[0018] a Figura 8B é uma fotografia de fluxo de fluido através do misturador estático da Figura 8A a uma taxa de fluxo de 9,09 l/min (2 galões por minuto), em conformidade com uma ou mais modalidades da presente divulgação;

[0019] a Figura 8C é uma fotografia de fluxo de fluido através do misturador estático da Figura 8A a uma taxa de fluxo de 9,09 l/min (4 galões por minuto), em conformidade com uma ou mais modalidades da presente divulgação;

[0020] a Figura 8D é uma fotografia de fluxo de fluido através do misturador estático da Figura 8A a uma taxa de fluxo de 9,09 l/min (6 galões por minuto), em conformidade com uma ou mais modalidades da presente divulgação;

[0021] a Figura 8E é uma fotografia de fluxo de fluido através do misturador estático da Figura 8A a uma taxa de fluxo de 36,37 l/min (8 galões por minuto), em conformidade com uma ou mais modalidades da presente divulgação; e [0022] a Figura 9 é uma plotagem do coeficiente de transferência de massa volumétrica como uma função de velocidade espacial através deum misturador estático em um ciclo de recirculação do sistema para conduzir fermentação aeróbica da Figura 1, em conformidade com uma ou mais modalidades da presente divulgação.

[0023] A título de descrição das ilustrações esquemáticas simplificadas e das descrições das Figuras 1 e 4, não estão

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6/47 incluídos os valores numéricos, sensores de temperatura, controladores eletrônicos e semelhante que podem ser empregados e bem conhecidos pelas pessoas de habilidade comum na técnica de determinadas operações de processamento químico. Deve-se observar, também, que as setas nos desenhos se referem às correntes do processo. No entanto, as setas podem se referir equivalente a linhas de transferência que podem servidor para transferir as correntes do processo entre dois ou mais componentes do sistema. Além disso, as setas que estão conectadas aos componentes de sistema definem entrada ou saídas em cada componente de sistema de determinado. A direção da seta corresponde, de modo geral, à direção principal do movimento dos materiais da corrente contida dentro da linha de transferência indicada pela seta. Além disso, as setas que não conectam dois ou mais componentes do sistema significam uma corrente de produto de que sai o sistema retratado ou uma corrente de entrada de sistema que entra no sistema retratado.

DESCRIÇÃO DETALHADA [0024] As modalidades da presente divulgação se referem a sistemas e métodos para conduzir fermentações aeróbicas. De modo específico, as presentes modalidades se referem a um sistema de fermentação aeróbica que compreende um vaso, um sistema de aeração e um ou mais múltiplos ciclos de recirculação acoplados de maneira fluida à saída do vaso. O sistema de aeração inclui um aspersor de gás acoplado de maneira fluida ao vaso e posicionado para introduzir um gás comprimido a um volume interno do vaso. O ciclo de recirculação compreende pelo menos um edutor acoplado de maneira fluida a uma fonte de gás que contêm oxigênio, pelo menos um misturador estático a jusante do pelo menos um edutor, pelo menos um trocador de calor a jusante do edutor e pelo menos um distribuidor a jusante do misturador estático e do pelo menos um trocador de calor. O distribuidor é acoplado de maneira fluida ao volume interno do vaso. Quando uma composição de fermentação é introduzida ao vaso, o gás comprimido do aspersor de gás fornece

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7/47 mistura à composição de fermentação, e uma corrente da composição de fermentação passa do vaso no ciclo de recirculação através do pelo menos um edutor, do pelo menos um misturador estático e do pelo menos um trocador de calor do ciclo de recirculação e passa para fora do pelo menos um distribuidor de volta para o volume interno do vaso. O sistema de fermentação aeróbica, incluindo o sistema de aeração e o ciclo de recirculação, fornece uma taxa de transferência de massa de oxigênio suficiente na composição de fermentação a fim de manter condições aeróbicas para a fermentação aeróbica conduzida em vasos de grande volume e vasos que têm razões de aspecto menores em comparação a fermentadores aeróbicos típicos. Por exemplo, o sistema de fermentação aeróbica possibilita fermentação aeróbica para ser conduzida em vasos que têm um volume de até 4.000 metros cúbicos (m³) e uma razão de aspecto de até 4.

[0025] Conforme usado na presente divulgação, a “razão de aspecto” de um vaso se refere à altura da composição de fermentação no vaso dividido pelo diâmetro do vaso. A “razão de aspecto máxima” de um vaso se refere à altura máxima da composição de fermentação no vaso dividido pelo diâmetro do vaso.

[0026] Conforme usado na presente divulgação, a “altura máxima da composição de fermentação” no vaso se refere à altura da composição de fermentação no vaso quando a composição de fermentação está em seu maior volume seguro possível no vaso.

[0027] Conforme usado na presente divulgação, o termo “fermentação aeróbica” se refere à conversão de materiais orgânicos a um ou a uma pluralidade de compostos através do metabolismo dos materiais orgânicos por micro-organismos sob condições aeróbicas.

[0028] Conforme usado na presente divulgação, o termo “condições aeróbicas” se refere a condições na composição de fermentação na qual o oxigênio está presente e está disponível aos microorganismos em quantidades suficientes para causar os micro-organismos a fim

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8/47 favorecer o processamento dos nutrientes dos meios de nutriente com o uso de fermentação aeróbica durante o processamento dos materiais orgânicos e dos nutrientes através da fermentação anaeróbica.

[0029] Conforme usado na presente divulgação, o termo “composição de fermentação” se refere a uma composição que compreende pelo menos micro-organismos, tais como bactérias, levedura ou outras espécies microbianas, por exemplo, e um meio de nutriente que inclui materiais orgânicos metabolizado pelo micro-organismos. A composição de fermentação também pode incluir solventes, como água, por exemplo, e compostos produzidos durante o processo de fermentação aeróbica, tais como gases, álcoois orgânicos, ácidos orgânicos ou outros compostos. A composição de fermentação também pode incluir gases, tais como gases que contêm oxigênio, introduzido à composição de fermentação durante o processo de fermentação aeróbica. A composição da composição de fermentação pode mudar ao longo do curso de um processo de fermentação à medida que o meio de nutriente é consumido e reabastecido, os compostos são produzidos através de metabolismo microbiano e mudanças populacionais de micro-organismo.

[0030] Conforme usado na presente divulgação, a “taxa de transferência de oxigênio” se refere à taxa na qual uma determinada massa de oxigênio é transferida e dissolvida na fase líquida, tal como a fase líquida da composição de fermentação.

[0031] Os produtos químicos industriais e produtos, tais como álcoois orgânicos e ácidos, por exemplo, podem ser sintetizados biologicamente através de processos de fermentação. Nos processos de fermentação, os materiais orgânicos são convertidos em um ou mais compostos por micro-organismos. Os micro-organismos absorvem os materiais orgânicos, pelo menos, metabolizam parcialmente os materiais orgânicos em compostos, e descarregam e/ou acumulam os compostos, que podem incluir álcoois orgânicos, ácidos orgânicos ou outros compostos orgânicos, por exemplo, que podem ser recuperados do caldo de fermentação como produtos comerciais ou

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9/47 produtos químicos industriais para uso como matérias-primas e intermediários em operações de processamento adicional. As fermentações podem ser conduzidas sob condições anaeróbicas nas quais a concentração de oxigênio dissolvido na composição de fermentação é reduzida (isto é, menor que uma quantidade suficiente para conduzir fermentação aeróbica) de modo que os micro-organismos processem os materiais orgânicos através mecanismos anaeróbicos. Alternativamente, as fermentações podem ser conduzidas sob condições aeróbicas nas quais a concentração de oxigênio dissolvidas na composição de fermentação é mantida a um nível suficiente para fornecer o oxigênio para os micro-organismos a fim de processar o material orgânico através metabolismo aeróbico. A condução das fermentações sob condições aeróbicas em vez de condições anaeróbicas pode modificar a composição química dos compostos produzidos pelos micro-organismos.

[0032] A fermentação aeróbica é altamente exotérmica. O calor gerado pela fermentação aeróbica é removido da composição de fermentação a fim de evitar superaquecimento do sistema, o que pode causar a morte dos micro-organismos. Adicionalmente, a fermentação aeróbica prossegue sob as condições nas quais a taxa de transferência de oxigênio na composição de fermentação é pelo menos igual ou maior que a taxa de absorção do oxigênio na composição de fermentação devido a um determinado metabolismo microbiano.

[0033] A agitação mecânica e/ou motorizada da composição de fermentação ao longo do processo de fermentação aeróbica é usada em alguns fermentadores mais típicos para obter um nível de contato entre gás e líquido suficiente para fornecer transferência de massa de oxigênio suficiente à composição de fermentação. No entanto, à medida que o volume da composição de fermentação no fermentador aumenta, as exigências de tamanho e de energia para a agitação motorizada para manter taxas de transferência de massa de oxigênio suficientes também aumentam. Por exemplo, um fermentador que tem um volume maior que 1.000 metros cúbicos (m³) podem exigir uma

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10/47 capacidade de motor de agitação maior que 3.000 hp. Os sistemas de agitação motorizados dessa capacidade são dispendiosos e geram força substancial dentro do vaso que podem fazer com que vasos existentes se inclinem ou estourem sob a carga de força pesada causada pela agitação motorizada.

[0034] Além disso, necessidades empresariais podem precisar mudar de um processo de fermentação anaeróbica para um processo de fermentação aeróbica. No entanto, fermentadores anaeróbicos típicos podem ter volumes substancialmente maiores em comparação a fermentadores e podem não ser configurados para obter as taxas de transferência de massa de oxigênio para a composição de fermentação que são necessárias para manter condições aeróbicas na composição de fermentação. Os sistemas para conduzir fermentação aeróbica divulgados no presente documento podem fornecer retroadaptação eficiente de fermentadores anaeróbicos existentes para conduzir fermentações aeróbicas.

[0035] Referindo-se à Figura 1, um sistema para conduzir uma fermentação aeróbica é ilustrado, sendo que o sistema geralmente identificado pela referência numérica 100. O sistema 100 inclui um vaso 102 que tem pelo menos uma saída 104, um sistema de aeração 106 acoplado ao vaso 102 e pelo menos um ciclo de recirculação 108 acoplado à saída 104 do vaso 102. A combinação do sistema de aeração 106 e ciclo de recirculação 108 pode fornecer transferência de massa de oxigênio suficiente na composição de fermentação para manter condições aeróbicas por todo o processo de fermentação. O vaso 102 pode ter um grande volume em comparação a típicos fermentadores aeróbicos e o sistema 100 pode fornecer transferência de massa de oxigênio suficiente para manter condições aeróbicas sem depender da agitação motorizada.

[0036] O vaso 102 inclui, de modo geral, um topo 112, pelo menos uma parede lateral 114 e um fundo 118.0 vaso 102 tem pelo menos uma saída 104 e pelo menos uma entrada 110. As entradas 110 podem ser posicionadas em um topo 112 do vaso 102 ou em uma parede lateral 114

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11/47 proximal ao topo 112 do vaso 102. As entradas 110 fornecem uma trajetória para carregar materiais, tal como a composição de fermentação (isto é, a cultura de micro-organismos, meios de nutriente e/ou solvente), ao vaso 102 e carregar o meio de nutriente na composição de fermentação ao longo do processo de fermentação. O vaso 102 pode incluir um ou mais respiradouros 116 para exaurir gases do vaso 102, tais como gases em excesso do sistema de aeração 106 e/ou gases gerados pelos micro-organismos, por exemplo. O vaso 102 pode ter qualquer formato conveniente. Em algumas modalidades, o vaso 102 pode ser um vaso cilíndrico. Nas modalidades, o fundo 118 do vaso 102 pode ser cônico, côncavo ou, de outro modo, inclinado. A saída 104 pode ser acoplada ao fundo 118 do vaso 102, tal como o ponto mais baixo de um de um fundo cônico ou côncavo do vaso 102, por exemplo.

[0037] O sistema 100 pode possibilitar que o vaso 102 tenha uma razão de aspecto mais baixa em comparação a fermentadores aeróbicos típicos. Nas modalidades, o vaso 102 pode ter uma razão de aspecto máxima de 0,5 a 4, de 0,5 a 3, de 0,5 a 2, de 0,5 a 1, de 1 a 4, de 1 a 3, de 1 a 2, de 2 a 4, de 2 a 3, de ou de 3 a 4, em que a razão de aspecto máxima do vaso 102 é definida como a altura máxima H_m da composição de fermentação no vaso 102 dividido por um diâmetro interno D do vaso 102. A altura máxima H_m da composição de fermentação no vaso 102 pode ser igual ou menor que uma altura de lado reto Hv do vaso 102. O vaso 102 pode ter um volume interno de 100 m³a 4.000 m³, de 100 m³ a 3.000 m³, de 100 m³ a 2.000 m³, de 100 m³ a 1.000 m³, de 300 m³ a 4.000 m³, de 300 m³ a 3.000 m³, de 300 m³ a 2.000 m³, de 300 m³a 1.000 m³, de 500 m³ a 4.000 m³, de 500 m³ a 3.000 m³, de 500 m³ a 2.000 m³, de 500 m³ a 1.000 m³, de 1000 m³ a 4.000 m³, de 1.000 m³ a 3.000 m³, de 1.000 m³ a 2.000 m³ ou de 2.000 m³ a 4.000 m³. Em algumas modalidades, o vaso 102 pode ser um fermentador anaeróbico reciclado ou readaptado que tem o sistema de aeração 106 e o ciclo de recirculação 108 acoplado de maneira fluida ao mesmo. Em outras modalidades, o vaso 102 pode ser um vaso não pressurizado, tal como um tanque de armazenamento ambiente convertido ou outro vaso de

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12/47 baixa pressão, por exemplo.

[0038] O sistema de aeração 106 compreende um aspersor 120 e um compressor 122 para entregar um gás comprimido, tal como um gás que contém oxigênio, ao aspersor 120. O aspersor 120 é acoplado de maneira fluida ao vaso 102 e posicionado para introduzir um gás que contém oxigênio ao volume interno do vaso 102. Em algumas modalidades, o aspersor 120 pode incluir um tubo de aspersão 126 que tem uma pluralidade de aberturas 128 através do qual o gás que contém oxigênio é introduzido no volume interno do vaso 102. O aspersor 120 é posicionado em uma porção de fundo do vaso 102 de modo que o gás que contém oxigênio introduzido pelo aspersor 120 flua para cima através da composição de fermentação contida dentro do volume interno do vaso 102. O tubo de aspersão 126 pode ser conformado para introduzir o gás que contém oxigênio na composição de fermentação ao longo de pelo menos uma porção do corte transversal do vaso 102. Em algumas modalidades, o tubo de aspersão 126 é conformado para introduzir o gás que contém oxigênio na composição de fermentação de maneira uniforme por todo o corte transversal do vaso 102. Em algumas modalidades, o tubo de aspersão 126 pode incluir um tubo principal com uma pluralidade de tubos que se estende horizontalmente para fora do tubo principal a fim de entregar o gás que contém oxigênio de maneira uniforme por todo o corte transversal do vaso 102. Alternativamente, o tubo de aspersão 126 pode incluir uma pluralidade de tubos concêntricos circulares acoplados de maneira fluida junto da entrega uniforme do gás que contém oxigênio por todo o corte transversal do vaso 102. Outros formatos do tubo de aspersão 126 são contemplados para entregar de maneira uniforme o ar que contém oxigênio por todo o corte transversal do vaso 102. Em algumas modalidades, o tubo de aspersão 126 do aspersor 120 pode ser formado integral com o vaso 102, tal como sinterizando-se ou soldando-se o tubo de aspersão 126 a uma ou uma pluralidade de portas no fundo 118 ou parede lateral 114 do vaso 102 ou diretamente no fundo 118 ou na parede lateral 114 do vaso 102. Em algumas modalidades, o tubo de aspersão 126 pode ser

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13/47 inserível no vaso 102 através da uma ou mais portas no vaso 102.

[0039] O compressor 122 pode ser acoplado de maneira fluida ao aspersor 120 para entregar o gás que contém oxigênio ao aspersor 120. O compressor 122 também pode ser acoplado de maneira fluida a uma fonte de gás que contêm oxigênio 130. O gás que contém oxigênio pode ser um gás que contém oxigênio (O2), tal como ar ambiente, gás oxigênio, ar enriquecido com oxigênio ou outro gás que contém oxigênio. A fonte de gás que contêm oxigênio 130 pode ser um conduíte aberto para ar ambiente, um volume de líquido ou oxigênio gasoso (O2), tal como um tanque de oxigênio, uma corrente de gás enriquecido em oxigênio produzida com 0 uso de um processo de produção de oxigênio, uma corrente de gás que contém oxigênio de outras operações de processo de produto químico, outras fontes de gás que contém oxigênio ou combinações dos mesmos. O sistema de aeração 106 também pode incluir opcional um sistema de esterilização a ar 132 para remover contaminantes do gás que contém oxigênio antes de introduzir 0 gás que contém oxigênio no vaso 102. O sistema de esterilização a ar 132 pode ser posicionado a jusante do compressor 122 de modo que 0 gás que contém oxigênio passe do compressor 122, através do sistema de esterilização a ar 132 e ao aspersor 120. Os contaminantes no gás que contém oxigênio podem diminuir 0 rendimento do processo de fermentação posicionando-se os micro-organismos na composição de fermentação ou mudando-se trajetória de metabolismo dos microorganismos. Alternativamente, caso os contaminantes sejam outros microorganismos, estes podem superar os micro-organismos originais para 0 consumo de materiais orgânicos e produzem um conjunto diferente de compostos e/ou produtos. O sistema de esterilização a ar pode incluir um filtro de ar, sistema de esterilização de ozônio, sistema de esterilização ultravioleta (UV) ou combinações desses sistemas de esterilizações. Em algumas modalidades, 0 sistema de esterilização a ar 132 pode ser um filtro, tal como um filtro de 1 micron, por exemplo.

[0040] Durante operação do sistema de aeração 106,

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14/47 o compressor 122 extrai o gás que contém oxigênio da fonte de gás que contêm oxigênio 130 e comprime o gás que contém oxigênio. Em seguida, o gás que contém oxigênio passa através do sistema de esterilização a ar opcional 132, em que um ou mais contaminantes, tais como particulados ou líquidos inseridos, por exemplo, são removidos do gás que contém oxigênio. Em seguida, o gás que contém oxigênio é passado para o aspersor 120. O gás que contém oxigênio flui através do tubo de aspersão 126 e sai do tubo de aspersão 126 da pluralidade de aberturas 128 no tubo de aspersão 126 no volume interno do vaso 102. As bolhas do gás que contém oxigênio que saem das aberturas 128 do tubo de aspersão 126 se movem para cima através da composição de fermentação no vaso 102. O aspersor 120 pode gerar fluxo turbulento de batedura ao longo do vaso 102 e impedir o desenvolvimento de macrofluxos dentro do vaso 102. A geração de fluxo turbulento de batedura através do vaso 102, e o impedimento do desenvolvimento de macrofluxos pode aprimorar a taxa de transferência de oxigênio na composição de fermentação. O compressor 122 pode entregar o gás que contém oxigênio ao aspersor 120 a uma pressão suficiente para fazer com que o aspersor 120 gere o fluxo turbulento de batedura ao longo do vaso 102. À medida que o gás que contém oxigênio sai do aspersor 120 e migra para cima através da composição de fermentação no vaso 102, o oxigênio do gás que contém oxigênio é transferido da fase gasosa das bolhas para a fase líquida da composição de fermentação, desse modo, oxigenando pelo menos parcialmente a composição de fermentação.

[0041] A taxa de transferência de massa de oxigênio da fase gasosa para a composição de fermentação líquida por meio do aspersor 120 pode ser influenciada pelo tamanho da bolha do gás que contém oxigênio introduzido no vaso 102, a taxa de fluxo do gás que contém oxigênio no vaso 102, a altura H do líquido no vaso 102, a viscosidade da composição de fermentação, a concentração de oxigênio no gás que contém oxigênio e a pressão dentro do vaso 102. Por exemplo, a diminuição do tamanho da bolha aumenta a área de superfície para transferência de massa e, portanto, aumenta

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15/47 a taxa de transferência de massa de oxigênio na composição de fermentação. 0 tamanho de bolha pode ser modificado mudando-se o tamanho das aberturas 128 no tubo de aspersão 126. Alternativamente, difusores de bolhas finas podem ser instalados em um ou mais de uma das aberturas 128 no tubo de aspersão 126 a fim de difundir o gás que contém oxigênio em uma pluralidade de bolhas menores. Adicionalmente, a taxa de transferência de massa de oxigênio na composição de fermentação pode ser modificada mudando-se a taxa de fluxo do gás que contém oxigênio entregue à composição de fermentação. O aumento da taxa de fluxo do gás que contém oxigênio pode aumentar o número de bolhas introduzidas na composição de fermentação, o que também aumenta a área de superfície de transferência de massa. A taxa de fluxo do gás que contém oxigênio pode ser controlada controlando-se a pressão do gás que contém oxigênio gerado pelo compressor 122.

[0042] A taxa de transferência de massa do oxigênio na composição de fermentação pode ser controlada adicionalmente controlandose a concentração de oxigênio no gás que contém oxigênio. O aumento da concentração de oxigênio no gás que contém oxigênio, tal como enriquecendose ar ambiente com oxigênio por exemplo, cria um grande de concentração maior entre o gás que contém oxigênio e a composição de fermentação. O gradiente e concentração maior entre o gás que contém oxigênio e a composição de fermentação aumenta a taxa de transferência de massa do oxigênio na composição de fermentação.

[0043] Tanto a altura H da composição de fermentação no vaso 102 quanto a viscosidade da composição de fermentação no vaso 102 influenciam o tempo de permanência do gás que contém oxigênio na composição de fermentação. Por exemplo, à medida que a altura H da composição de fermentação no vaso 102 aumenta, o tempo de permanência entre as bolhas de gás que contém oxigênio e a composição de fermentação aumenta, e a eficácia da transferência de massa de oxigênio da fase gasosa para a composição de fermentação também aumenta. O aumento da

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16/47 viscosidade da composição de fermentação também aumenta o tempo de permanência do gás que contém oxigênio bolhas com a composição de fermentação, o que também aumenta a taxa de transferência de massa de oxigênio na composição de fermentação.

[0044] Em um fermentador aeróbico típico, a pressão no fermentador aeróbico também pode influenciar a taxa de transferência de massa de oxigênio à composição de fermentação. Os fermentadores aeróbicos típicos operam sob pressão positivo, e o aumento da pressão no fermentador pode aumentar a taxa de transferência de massa de oxigênio à composição de fermentação. O sistema 100 divulgado no presente documento que tem o sistema de aeração 106 e o sistema de recirculação 108 fornece uma taxa de transferência de massa suficiente do oxigênio à composição de fermentação sem ter que conduzir a fermentação aeróbica sob condições de pressão positiva. Desse modo, o processo de fermentação aeróbica pode ser conduzido no sistema 100 à pressão ambiente. Fornecendo-se taxas de transferência de massa suficiente de oxigênio sem conduzir a fermentação aeróbica sob pressão, o sistema 100 pode possibilitar o uso de tanques não pressurizados como o vaso 102. Os tanques não pressurizados podem ter paredes mais finas e um custo substancialmente mais baixo que vasos de pressão.

[0045] Referindo-se novamente à Figura 1, o ciclo de recirculação 108 é acoplado de maneira fluida à saída 104 do vaso 102. O ciclo de recirculação 108 é posicionado externo ao vaso 102 e inclui um edutor 140, pelo menos um misturador estático 142 a jusante do edutor 140, pelo menos um trocador de calor 144 a jusante do edutor 140 e um distribuidor 146. Nas modalidades, o edutor 140 é um dispositivo Venturi que tem uma entrada de líquido de edutor 150, uma saída de edutor 152 e uma entrada de gás de edutor 154. A entrada de gás de edutor 154 é acoplada de maneira fluida a uma seção estreitada 156 do dispositivo Venturi. A gás entrada 154 também é acoplada de maneira fluida a uma fonte de gás que contêm oxigênio 158. Um gás que contém oxigênio 159 pode ser ar ambiente, gás oxigênio, ar enriquecido com oxigênio

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17/47 ou outro gás que contém oxigênio. A fonte de gás que contêm oxigênio 158 pode ser uma porta acoplada de maneira fluida a ar ambiente, um volume contido de líquido ou oxigênio gasoso, tal como um tanque de oxigênio, uma corrente de gás enriquecido em oxigênio produzida com o uso de um processo de produção de oxigênio, uma corrente de gás que contém oxigênio de outras operações de processo químico, outras fontes de gás que contém oxigênio ou combinações dos mesmos. Em algumas modalidades, a fonte de gás que contêm oxigênio 158 pode ser igual à fonte de gás que contêm oxigênio 130 acoplada de maneira fluida ao sistema de aeração 106. Alternativamente, em outras modalidades, a fonte de gás que contêm oxigênio 158 para o ciclo de recirculação 108 pode estar separada da fonte de gás que contêm oxigênio 130 acoplada de maneira fluida ao sistema de aeração 106.

[0046] Um compressor 136 pode ser acoplado de maneira fluida à fonte de gás que contêm oxigênio 158 e à entrada de gás de edutor 154. O compressor 136 pode entregar o gás que contém oxigênio da fonte de gás que contêm oxigênio 158 à entrada de gás de edutor 154. A fonte de gás que contêm oxigênio 158 também incluir opcionalmente um sistema de esterilização a ar (não mostrado) para remover contaminantes do gás que contém oxigênio 159 antes de introduzir o gás que contém oxigênio 159 ao edutor 140.

[0047] A corrente de composição de fermentação 148 é uma corrente de múltiplas fases que têm uma fase líquida e uma fase sólida ou uma fase líquida, uma fase sólida e uma fase gasosa. A fase gasosa da corrente de composição de fermentação 148 pode incluir bolhas do gás que contém oxigênio introduzidas pelo sistema de aeração 106, bolhas de gás geradas de metabolismo microbiano, ou as duas, por exemplo. A fase líquida pode incluir pelo menos um dentre o meio de nutriente, solvente, compostos líquidos produzidos pelos micro-organismos durante a fermentação aeróbica, outros componentes líquidos ou combinações dos mesmos. A fase sólida pode incluir pelo menos os micro-organismos e pode incluir compostos sólidos

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18/47 produzidos pelos micro-organismos, outros componentes sólidos da composição de fermentação ou combinações dos mesmos.

[0048] A corrente de composição de fermentação 148 passa da entrada de líquido de edutor 150, através da seção estreitada 156 do edutor 140, e para fora da saída de edutor 152. O gás que contém oxigênio é introduzido na seção estreitada 156 do edutor 140 através da entrada de gás de edutor 154. O gás que contém oxigênio se mistura pelo menos parcialmente com a composição de fermentação à medida que a composição de fermentação passa através da seção estreitada 156 do edutor 140. A corrente que sai do edutor 140 da saída de edutor 152 é uma corrente combinada 160 que inclui a corrente de composição de fermentação 148 e o gás que contém oxigênio 159. A corrente combinada 160 é uma mistura de múltiplas fases que inclui uma fase líquida, uma fase sólida e uma fase gasosa. A fase gasosa pode incluir o gás que contém oxigênio 159 introduzido pelo edutor 140 assim como os gases inseridos na corrente de composição de fermentação 148 que entram no edutor 140, tais como compostos gasosos do metabolismo microbiano, bolhas de gás inseridas do sistema de aeração, ou os dois, por exemplo.

[0049] O tamanho do edutor 140 pode ser definido pelo diâmetro nominal dos ajustes na entrada de líquido de edutor 150 e na saída de edutor 152. O edutor 140 pode ter um tamanho de 0,025 metro (m) a 1 m, de 0,025 m a 0,5 m, de 0,025 m a 0,1 m, de 0,025 m a 0,05 m, de 0,05 m a 1 m, de 0,05 m a 0,5 m, de 0,05 m a 0,1 m, de 0,1 m a 1 m, de 0,1 m a 0,5 m ou de 0,5 m a 1 m. Um formato do edutor 140, tal como o formato da seção estreitada 156 e o tamanho em corte transversal da entrada de gás de edutor 154 por exemplo, pode influenciar a quantidade de gás que contém oxigênio 159 introduzida na corrente de composição de fermentação 148 que passa através do edutor 140. Nas modalidades, o edutor 140 pode ser conformado para fornecer uma razão de fluxo de volume do gás que contém oxigênio 159 à corrente de composição de fermentação 148 suficiente para oxigenar a composição de fermentação (isto é, no presente documento denominado de modo geral de composição de

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19/47 fermentação através do processo de fermentação, tal como a composição de fermentação no vaso 102 assim como a composição de fermentação recirculada através do ciclo de recirculação 108). Em algumas modalidades, o edutor 140 pode fornecer uma razão de fluxo de volume entre o gás que contém oxigênio 159 e a corrente de composição de fermentação 148 (isto é, razão entre a taxa de fluxo volumétrica de gás e a taxa de fluxo volumétrica de líquido) de 0,05 a 1, de 0,05 a 0,8, de 0,05 a 0,6, de 0,05 a 0,4, de 0,05 a 0,2, de 0,05 a 0,1, de 0,05 a 07, de 0,07 a 1, de 0,07 a 0,8, de 0,07 a 0,6, de 0,07 a 0,4, de 0,07 a 0,2, de 0,07 a 0,1, de 0,1 a 1, de 0,1 a 0,8, de 0,1 a 0,6, de 0,1 a 0,4, de 0,2 a 1, de 0,2 a 0,8, de 0,2 a 0,6, de 0,2 a 0,4, de 0,4 a 1, de 0,4 a 0,8, de 0,4 a 0,6, de 0,6 a 1, de 0,6 a 0,8 ou de 0,8 a 1.

[0050] Em algumas modalidades, o ciclo de recirculação 108 pode incluir um gerador de bolha fina (não mostrado) alternativa ou adicionalmente ao edutor 140 para introduzir o gás que contém oxigênio 159 na corrente de composição de fermentação 148. Outros sistemas são contemplados para introduzir o gás que contém oxigênio à composição de fermentação no ciclo de recirculação 108 do sistema 100.

[0051] A redução do comprimento do ciclo de recirculação 108 pode reduzir a bioincrustração das áreas de superfície dos componentes do ciclo de recirculação 108. No entanto, a redução do comprimento do ciclo de recirculação 108 resulta em uma diminuição no tempo de permanência da composição de fermentação no ciclo de recirculação 108. Altas taxas de transferência de oxigênio no ciclo de recirculação 108 podem fornecer saturação de oxigênio da composição de fermentação nesse tempo de permanência reduzidos. O ciclo de recirculação 108 pode fornecer altas taxas de transferência de oxigênio introduzindo-se a corrente combinada 160 que compreende a composição de fermentação e gás que contém oxigênio em um ou em uma pluralidade de misturadores estáticos 142 para reduzir o tamanho das bolhas de gás que contém oxigênio na corrente combinada 160.

[0052] Os misturadores estáticos 142 são

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20/47 posicionados no ciclo de recirculação 108 a jusante do edutor 140. A saída de edutor 152 é acoplada de maneira fluida ao misturador estático 142. Referindose à Figura 2, o misturador estático 142 está disposto dentro de um conduíte 162, tal como um conduíte do trocador de calor 144, por exemplo. Nas modalidades, o misturador estático 142 pode incluir uma pluralidade de defletores 164 conformados e posicionados para intensificar a turbulência de fluxo na corrente combinada 160 que flui através do misturador estático 142. Em algumas modalidades, os defletores 164 podem incluir uma pluralidade de defletores cruzados. Alternativamente, em algumas outras modalidades, os defletores 164 podem ser defletores helicoidais. Outros formatos e orientações são contemplados para os defletores 164 do misturador estático 142. O misturador estático 142 rompe a fase gasosa da corrente combinada 160 nas bolhas menores introduzindo-se a turbulência de fluxo na corrente combinada 160. A redução do tamanho de bolha da fase gasosa na corrente combinada 160 aumenta a área total de superfície da interface entre a fase líquida e a fase gasosa. A taxa de transferência de massa de oxigênio da fase gasosa para a fase líquida é proporcional à área de superfície da interface entre a fase líquida e fase gasosa. Portanto, o aumento da área de superfície diminuindo-se o tamanho de bolha da fase gasosa aumenta a taxa de transferência de massa de oxigênio do gás que contém oxigênio na fase líquida da composição de fermentação.

[0053] Nas modalidades, o misturador estático 142 pode produzir condições de fluxo de fluido turbulentas que, quando combinadas com o sistema de aeração 106, têm capacidade para manter uma taxa de transferência de massa de oxigênio igual ou maior que a taxa de absorção de oxigênio devido ao metabolismo microbiano durante os estágios iniciais do processo de fermentação aeróbica, quando o volume de composição de fermentação no vaso 102 for baixo. Em algumas modalidades, o misturador estático 142 pode produzir condições de fluxo de fluido condições suficientes para reduzir o tamanho de bolha da fase gasosa que contém oxigênio para

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21/47 aumentar a transferência de massa de oxigênio na composição de fermentação. Em algumas modalidades, o misturador estático 142 pode produzir fluxo de fluido que tem um número de Reynolds de 2.000 a 10,000, de 2.000 a 8.000, de 2.000 a 6.000, de 2.000 a 4.000, de 4.000 a 10,000, de 4.000 a 8.000, de 4.000 a 6.000, de 6.000 a 10.000, de 6.000 a 8.000 ou de 8.000 a 10.000. O número de Reynolds para fluxo através do ciclo de recirculação é definido como

Re

PiUiDcano μι

Equação 1 em que pi e μι são a densidade líquida e a viscosidade dinâmica, respectivamente, Dcano é o diâmetro do cano que é equipado com os misturadores estáticos, e Ui é a velocidade da composição de fermentação através do cano.

[0054] Nas modalidades, uma velocidade de líquido média corrente combinada 160 no misturador estático 142 pode ser suficiente para gerar as condições de fluxo de fluido no misturador estático 142 que, quando combinados com o sistema de aeração 106, são suficientes para manter uma taxa de transferência de massa de oxigênio igual ou maior que a taxa de absorção de oxigênio devido ao metabolismo microbiano durante os estágios iniciais do processo de fermentação aeróbica, quando o volume de composição de fermentação no vaso 102 for baixo. Os estágios iniciais do processo de fermentação aeróbica podem incluir o primeiro terço do processo de fermentação aeróbica e durante esse período o volume de composição de fermentação no vaso 102 é baixo. Nas modalidades, a velocidade de líquido média da corrente combinada 160 no misturador estático 142 pode ser de 0,2 metro por segundo (m/s) de 2 m/s, de 0,2 m/s de 1,6 m/s, de 0,2 m/s de 1,2 m/s, de 0,2 m/s de 0,8 m/s, de 0,2 m/s de 0,4 m/s, de 0,4 m/s de 2 m/s, de 0,4 m/s de 1,6 m/s, de 0,4 m/s de 1,2 m/s, de 0,4 m/s de 0,8 m/s, de 0,8 m/s de 2 m/s, de 0,8 m/s de 1,6 m/s, de 0,8 m/s de 1,2 m/s, de 1,2 m/s de 2 m/s, de 1,2 m/s de 1,6 m/s ou de 1,6 m/s de 2 m/s.

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22/47 [0055] Referindo-se novamente à Figura 1, em algumas modalidades, o ciclo de recirculação 108 pode incluir uma pluralidade de misturadores estáticos 142 posicionada a jusante do edutor 140. Uma porção dos misturadores estáticos 142 pode estar disposta paralelamente entre si. Os misturadores estáticos 142, assim como outros equipamentos no ciclo de recirculação 108, podem ser suscetíveis à bioincrustação durante operação contínua do sistema 100. A bioincrustação se refere ao acúmulo de células e de outros materiais nas superfícies internas dos misturadores estáticos 142, trocadores de calor 144, edutor 140, bomba 170 e os outros equipamentos. A disposição em paralelo dos misturadores estáticos 142 possibilita que um ou mais dentre os misturadores estáticos 142 seja retirado para limpeza e esterilização e sem desligar o sistema 100. Alternativamente, um ou mais misturadores estáticos 142 podem ser posicionados em série para aumentar a mistura corrente combinada 160.

[0056] Conforme mostrado na Figura 1, os trocadores de calor 144 são posicionados a jusante do edutor 140. Os trocadores de calor 144 podem incluir um trocador de calor de envoltório-e-tubo, um trocador de calor de placa-e-armação ou os dois. Outros tipos de trocadores de calor podem ser adequados para o ciclo de recirculação 108. Conforme descrito anteriormente, o calor é gerado por metabolismo microbiano durante fermentação e é retido na corrente de composição de fermentação 148 introduzida no ciclo de recirculação 108 e na corrente combinada 160 que sai do edutor 140. Os trocadores de calor 144 transferem pelo menos uma porção desse calor da corrente combinada 160 a um dissipador de calor, tal como um fluido de transferência de calor, por exemplo. A remoção do calor da corrente combinada 160 pelos trocadores de calor 144 reduz a temperatura da corrente combinada 160. A remoção do calor com o uso dos trocadores de calor 144 mantém a temperatura da composição de fermentação no vaso 102 e pode impedir o superaquecimento, o que pode causar morte dos micro-organismos.

[0057] Em algumas modalidades, os trocadores de

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23/47 calor 144 pode ter uma capacidade de transferência de calor suficiente para remover calor suficiente da corrente combinada 160 a fim de manter uma temperatura constante da composição de fermentação no vaso 102 em um volume máximo da composição de fermentação no vaso 102. Nas modalidades, cada um dos trocadores de calor 144 pode ter uma capacidade de transferência de calor de 50 quilowatts (kW) a 1,000 kW, de 50 kW a 800 kW, de 50 kW a 600 kW, de 50 kW a 400 kW, de 50 kW a 200 kW, de 50 kW a 100 kW, de 100 kW a 1,000 kW, de 100 kW a 800 kW, de 100 kW a 600 kW, de 100 kW a 400 kW, de 100 kW a 200 kW, de 200 kW a 1,000 kW, de 200 kW a 800 kW, de 200 kW a 600 kW, de 200 kW a 400 kW, de 400 kW a 1,000 kW, de 400 kW a 800 kw, de 400 kW a 600 kW, de 600 kW a 1,000 kW, de 600 kW a 800 kW ou de 800 kW a 1.000 kW.

[0058] Em algumas modalidades, o ciclo de recirculação 108 pode incluir uma pluralidade de trocadores de calor 144 posicionado a jusante do edutor 140. Pelo menos alguns dos trocadores de calor 144 podem estar dispostos paralelamente entre si. Semelhantemente os misturadores estáticos 142, os trocadores de calor 144 podem estar suscetíveis à bioincrustação durante operação contínua do sistema 100. A disposição paralela dos trocadores de calor 144 possibilita que um ou mais dentre os trocadores de calor 144 seja isolado do ciclo de recirculação 108 e retirado para limpeza e esterilização sem desligar o sistema 100 tampouco prejudicar o processo de fermentação. Alternativamente, um ou mais trocadores de calor 144 podem ser posicionados em série a fim de aumentar a transferência de calor para fora da corrente combinada 160. Nas modalidades, o ciclo de recirculação 108 pode ter vários trocadores de calor 144, o que é suficiente para remover o calor gerado pelo metabolismo microbiano durante o processo de fermentação e manter uma temperatura constante da composição de fermentação no sistema 100. Em algumas modalidades, o ciclo de recirculação 108 pode ter 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12 trocadores de calor 144.

[0059] Conforme mostrado na Figura 1, em algumas

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24/47 modalidades, os misturadores estáticos 142 podem ser combinados com os trocadores de calor 144. Nas modalidades, cada um dos trocadores de calor 144 pode incluir uma pluralidade de conduíte de fluxo 166 que se estendem através do trocador de calor 144. Os misturadores estáticos 142 podem estar dispostos dentro de cada um dos conduíte de fluxo 166 dos trocadores de calor 144. Os trocadores de calor 144 que têm os misturadores estáticos 142 incorporados nos mesmos podem ser acoplados de maneira fluida à saída de edutor 152. Em operação, a corrente combinada 160 que compreende o fluido de fermentação e o gás que contém oxigênio passa da saída de edutor 152 os trocadores de calor 144. Nos trocadores de calor 144, a corrente combinada 160 passa através dos misturadores estáticos 142. A corrente combinada 160 é misturada pelos misturadores estáticos 142, e a mistura aprova a transferência de massa de oxigênio da fase gasosa para a fase líquida da corrente combinada 160. O calor é removido simultaneamente da corrente combinada 160 pelo trocador de calor 144. O fornecimento de mistura estática da corrente combinada 160 no trocador de calor 144 também pode aprimorar a taxa de transferência de calor do calor para fora da corrente combinada 160. Adicionalmente, a incorporação dos misturadores estáticos 142 nos trocadores de calor 144 também pode reduzir o comprimento do ciclo de recirculação 108. A redução do comprimento do ciclo de recirculação 108 pode reduzir a taxa de bioincrustação de superfícies internas do edutor 140, misturadores estáticos 142, trocadores de calor 144, bomba 170, tubulação e outro equipamento do ciclo de recirculação 108.

[0060] Conforme discutido anteriormente, com uma pluralidade de trocadores de calor 144 operados em paralelo no ciclo de recirculação 108, cada trocador de calor 144 pode ser isolado facilmente do ciclo de recirculação 108 e esterilizado independentemente de outro equipamento do sistema 100 durante operação do sistema 100 e processo de fermentação. Como resultado, a incorporação dos misturadores estáticos 142 nos trocadores de calor 144 pode fornecer capacidade aprimorada para esterilizar os misturadores estáticos 142 durante operação do processo de fermentação, desse modo,

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25/47 mitigando incrustação dos misturadores estáticos 142. Adicionalmente, a incorporação dos misturadores estáticos 142 nos trocadores de calor 144 pode reduzir a marcação de espaço do sistema 100, reduzir o número de componentes para esterilizar individual e independentemente durante operação do sistema 100 e fornecer transferência de calor aprimorada da corrente combinada 160 em comparação a um ciclo de recirculação 108 no qual os misturadores estáticos 142 não são integrados com os trocadores de calor 144, porém são posicionados a montante ou a jusante dos trocadores de calor 144.

[0061] A mistura estática de uma remoção de calor da corrente combinada 160 produz uma composição de fermentação oxigenada 168 na saída do trocador de calor 144. A composição de fermentação oxigenada 168 inclui uma quantidade aumentada de oxigênio dissolvido na fase líquida em comparação à corrente de composição de fermentação 148 introduzida no ciclo de recirculação 108 na saída 104 do vaso 102. A composição de fermentação oxigenada 168 também pode incluir uma fase gasosa depletada de oxigênio que tem uma quantidade de oxigênio menor que o gás que contém oxigênio introduzido no edutor 140.

[0062] Referindo-se à Figura 1, a composição de fermentação oxigenada 168 sai dos trocadores de calor 144 e passa através do distribuidor 146 de volta ao vaso 102. O distribuidor 146 pode ser conformado para reintroduzir a composição de fermentação oxigenada 168 no vaso 102 através de pelo menos uma porção do corte transversal do vaso 102. Em algumas modalidades, o distribuidor 146 é conformado para distribuir de maneira uniforme a composição de fermentação oxigenada 168 no vaso 102 ao longo de todo o corte transversal do vaso 102. Em algumas modalidades, o distribuidor 146 pode incluir um tubo principal com uma pluralidade de tubos que se estendem horizontalmente para fora do tubo principal a fim de entregar de maneira uniforme a composição de fermentação oxigenada 168 ao longo de todo o corte transversal do vaso 102. Alternativamente, o distribuidor 146 pode incluir uma pluralidade de tubos concêntricos circulares acoplados de maneira fluida

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26/47 juntos entregar a composição de fermentação oxigenada 168 de maneira uniforme ao longo de todo o corte transversal do vaso 102. Outros formatos do distribuidor 146 são contemplados para entregar de maneira uniforme a composição de fermentação oxigenada 168 ao longo de todo o corte transversal do vaso 102.

[0063] Referindo-se à Figura 3, uma modalidade não limitativa do distribuidor 146 é ilustrada como incluindo pelo menos um tubo 174 que tem uma pluralidade de furos 176 acoplados de maneira fluida ao volume interno do vaso 102. O tubo 174 do distribuidor 146 pode incluir um tubo central 177 e uma pluralidade de ramificações 178 que se estendem para fora do tubo central 177. O tubo central 177 e cada uma das ramificações 178 incluem a pluralidade de furos 176 para distribuir a composição de fermentação oxigenada 168 de volta no vaso 102. As ramificações 178 podem se estender para fora do tubo central 177 de modo que a composição de fermentação oxigenada 168 seja distribuída de maneira uniforme ao longo de todo o corte transversal do vaso 102.

[0064] Referindo-se novamente à Figura 1, o distribuidor 146 pode entrar no volume interno do vaso 102 através de uma porta disposta na parede lateral 114 do vaso 102, conforme mostrado na Figura 1. Alternativamente, o distribuidor 146 pode passar através do topo 112 do vaso 102 e se estendem até o volume interno do vaso 102. Em algumas modalidades, o distribuidor 146 pode ser posicionado de modo que os tubos 174 do distribuidor 146 sejam submersos na composição de fermentação dispostos no vaso 102 ao longo do processo de fermentação.

[0065] Em operação do distribuidor 146, a composição de fermentação oxigenada 168 passa do ciclo de recirculação 108 para o tubo 174 do distribuidor 146. A composição de fermentação oxigenada 168 passa através do tubo 174, incluindo o tubo central 177 e as ramificações e sai do distribuidor 146 através dos furos 176 no tubo 174 e no vaso 102, sendo que a composição de fermentação oxigenada 168 se mistura com a composição

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27/47 de fermentação no vaso 102.

[0066] Referindo-se à Figura 1, o ciclo de recirculação 108 inclui uma bomba 170 para mover a corrente de composição de fermentação 148 através do ciclo de recirculação 108. A bomba 170 pode ser uma bomba de múltiplas fases com capacidade para bombear a corrente de composição de fermentação 148. Conforme discutido anteriormente, a corrente de composição de fermentação 148 pode ser uma corrente de múltiplas fases que tem uma fase líquida e uma fase sólida, uma fase líquida e uma fase gasosa ou uma fase líquida, fase sólida e uma fase gasosa. Nas modalidades, a bomba 170 pode ser posicionada a montante do edutor 140. A bomba 170 pode fornecer uma taxa de fluxo de líquido através do ciclo de recirculação 108 de 0,04 metro cúbico por minuto (m³/min) a 20 m³/min, de 0,04 m³/min a 15 m³/min, de 0,04 m³/min a 10 m³/min, de 0,04 m³/min a 5 m³/min, de 0,1 m³/min a 20 m³/min, de 0,1 m³/min a 15 m³/min, de 0,1 m³/min a 10 m³/min, de 0,1 m³/min a 5 m³/min, de 1 m³/min a 20 m³/min, de 1 m³/min a 15 m³/min, de 1 m³/min a 10 m³/min, de 5 m³/min a 20 m³/min, de 5 m³/min a 15 m³/min, de 5 m³/min a 10 m³/min ou de 10 m³/min a 20 m³/min.

[0067] O ciclo de recirculação 108 pode incluir opcionalmente um edutor secundário 180 (Figura 4) posicionado a jusante dos trocadores de calor 144 e misturadores estáticos 142 do ciclo de recirculação 108. O edutor secundário 180 pode ser posicionado a montante do distribuidor 146. O edutor secundário 180 pode ser acoplado de maneira fluida à fonte de gás que contêm oxigênio 158 que alimenta o edutor 140 ou outra fonte de gás que contêm oxigênio. O edutor secundário 180 pode introduzir gás adicional que contém oxigênio na composição de fermentação oxigenada 168 à medida que a composição de fermentação oxigenada 168 passa através do edutor secundário 180. A composição de fermentação oxigenada 168 que tem gás que contém oxigênio adicionado inserido no mesmo passa para o distribuidor 146 e de volta para o vaso 102.

[0068] O ciclo de recirculação 108 também pode

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28/47 incluir opcionalmente pelo menos um trocador de calor secundário 182 (Figura 4). Nas modalidades, o trocador de calor secundário 182 pode ser posicionado a montante do edutor 140. O trocador de calor secundário 182 pode incluir um trocador de calor de envoltório-e-tubo, um trocador de calor de placa-e-armação ou os dois. Outros tipos de trocadores de calor podem ser adequados para o trocador de calor secundário 182. O trocador de calor secundário 182 pode fornecer remoção de calor adicional da corrente de composição de fermentação 148.

[0069] Referindo-se à Figura 4, outro sistema 200 para conduzir fermentações aeróbicas pode incluir o vaso 102, sistema de aeração 106, o ciclo de recirculação 108 e um ou uma pluralidade de ciclos de recirculação suplementares 208. Cada ciclo de recirculação complementar 208 pode incluir um edutor complementar 240, misturadores estáticos complementares 242, trocadores de calor complementares 244 e um distribuidor complementar 246. O ciclo de recirculação complementar 208 também pode incluir uma bomba complementar 270. O ciclo de recirculação complementar 208, edutor complementar 240, misturadores estáticos complementares 242, trocadores de calor complementares 244, distribuidor complementar 246, e a bomba complementar 270 pode ter qualquer uma das propriedades e características descritas acima em relação ao ciclo de recirculação 108, edutor 140, misturadores estáticos 142, trocadores de calor 144, distribuidor 146 e bomba 170, respectivamente.

[0070] Durante a condição de uma fermentação aeróbica no sistema 200, o sistema 200 pode circular a composição de fermentação através do ciclo de recirculação 108, do ciclo de recirculação complementar 208 ou tanto do ciclo de recirculação 108 quanto do ciclo de recirculação complementar 208. Em algumas modalidades, um dentre o ciclo de recirculação 108 ou o ciclo de recirculação complementar 208 pode ser retirado para esterilizar os componentes, tais como os trocadores de calor 144, trocadores de calor complementares 244, misturadores estáticos 142 ou

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29/47 misturadores estáticos complementares 242, por exemplo, durante a operação do sistema 200. Em algumas modalidades, o sistema 200 pode ser configurado para alternar entre a circulação da composição de fermentação através do ciclo de recirculação 108 e circular a composição de fermentação através do ciclo de recirculação complementar 208. Nas modalidades que têm múltiplos ciclos de recirculação complementares 208, o sistema 200 pode circular a composição de fermentação através de todos ou menos que todos os ciclos de recirculação 208 e ciclo de recirculação 108 complementares.

[0071] Referindo-se novamente à Figura 1, na operação do sistema 100 para conduzir fermentação aeróbica, a composição de fermentação que compreende pelo menos os micro-organismos para conduzir a fermentação e uma quantidade do meio de nutriente é introduzida no vaso 102 até um nível inicial 190. O sistema de aeração 106 passa o gás que contém oxigênio para a composição de fermentação no vaso 102. Em particular, o gás que contém oxigênio da fonte de gás que contêm oxigênio 130 é comprimido pelo compressor 122 e passado através do aspersor 120 para a composição de fermentação no vaso 102. À medida que as bolhas do gás que contém oxigênio do sistema de aeração 106 percorrem para cima através da composição de fermentação, o oxigênio do gás que contém oxigênio é transferido por todo o limite de fase na composição de fermentação para oxigenar a composição de fermentação. Pelo menos uma porção do calor gerado pelo metabolismo microbiano pode ser removida pelo sistema de aeração 106.

[0072] Simultaneamente, a composição de fermentação é retirada da saída 104 do vaso 102 e passada para o ciclo de recirculação 108 como corrente de composição de fermentação 148. A corrente de composição de fermentação 148 passa através do edutor 140 onde o gás que contém oxigênio da fonte de gás que contêm oxigênio 158 é introduzido na corrente de composição de fermentação 148 pelo efeito Venturi para produzir uma corrente combinada 160. A corrente combinada 160 é uma corrente de múltiplas fases que inclui a composição de fermentação em uma fase líquida ou

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30/47 uma combinação de fases líquidas e sólidas e o gás que contém oxigênio na fase gasosa. A corrente combinada 160 passes para os misturadores estáticos 142. Os misturadores estáticos 142 introduzem turbulência de fluxo na corrente combinada 160 a fim de aumentar a taxa de transferência de massa de oxigênio da fase gasosa na fase líquida para produzir uma composição de fermentação oxigenada 168. A composição de fermentação oxigenada 168 pode passar através dos trocadores de calor 144 a fim de remover calor da composição de fermentação oxigenada 168. Em algumas modalidades, os misturadores estáticos 142 pode ser integral com os trocadores de calor 144, e a corrente combinada 160 pode passar simultaneamente através dos misturadores estáticos 142 e trocadores de calor 144 para introduzir turbulência de fluxo a fim de facilitar a transferência de massa de oxigênio e remover o calor ao mesmo tempo. Mediante a passagem para fora dos trocadores de calor 144, a composição de fermentação oxigenada 168 passa através do distribuidor 146 e de volta para o vaso 102. O ciclo de recirculação 108 fornece mistura adicional da composição de fermentação no vaso 102. A operação do ciclo de recirculação 108 pode eliminar zonas ociosas no vaso 102. As zonas ociosas se referem a volumes da composição de fermentação no vaso 102 que são impactadas pelo aspersor 120 e permanecem estacionárias sem serem misturadas com o resto da composição de fermentação. A falta de mistura nas zonas ociosas resulta na depleção do oxigênio dissolvido na zona ociosa, o que pode causar mudanças no metabolismo microbiano, na taxa de metabolismo e/ou morte microbiana. O ciclo de recirculação 108 pode eliminar essas zonas ociosas extraindo-se a composição de fermentação para fora do fundo 118 do vaso 102 e retornandose a composição de fermentação para o vaso 102.

[0073] À medida que o processo de fermentação segue, um meio de nutriente adicional pode ser adicionado ao vaso 102 através de pelo menos uma dentre as entradas 110 do vaso 102. Os meios de nutriente podem ser adicionados continuamente ao vaso 102 ou podem ser adicionados periodicamente ao vaso 102. No começo de um processo de fermentação

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31/47 aeróbica, o volume da composição de fermentação no vaso 102 pode ser baixo, e a altura H da composição de fermentação pode ser pequena de modo que apenas uma porção do vaso 102 tenha a composição de fermentação na mesma. Nesse momento, as bolhas de gás que contém oxigênio aspergidas no vaso 102 pelo sistema de aeração 106 podem não ter suficientes tempo de contato suficiente com a composição de fermentação para obter uma transferência de massa do oxigênio à composição de fermentação para manter condições aeróbicas na composição de fermentação. Essas condições de baixo volume no vaso 102 pode se estender através do primeiro um terço do processo de fermentação aeróbica. Durante esses estágios iniciais do processo de fermentação aeróbica quando o volume da composição de fermentação no vaso 102 é baixo, o ciclo de recirculação 108 pode fornecer a taxa de transferência de massa de oxigênio suficiente para manter condições aeróbicas na composição de fermentação. A transferência de massa de oxigênio como uso do ciclo de recirculação 108 também pode ser vantajosa durante os estágios iniciais do processo de fermentação e durante esses períodos de maiores taxas de transferência de massa de oxigênio pode ser necessário compensar o consumo aumentado de oxigênio através do metabolismo microbiano. Por exemplo, alta demanda de oxigênio pode ocorrer durante a fase de crescimento inicial na qual a população microbiana aumenta. Durante a fase de crescimento, o consumo de oxigênio pelos micro-organismos aumenta, o necessita de maiores taxas de transferência de massa de oxigênio.

[0074] À medida que o processo de fermentação aeróbica segue, o meio de nutriente é adicionado à composição de fermentação, desse modo, aumentado o volume da composição de fermentação no vaso 102 e na altura H da composição de fermentação no vaso 102. À medida que a altura H da composição de fermentação no vaso 102 aumenta, a eficiência de transferência de massa de oxigênio pelo sistema de aeração 106 aumenta. A altura H da composição de fermentação no vaso 102 pode aumentar até uma altura-limite na qual a taxa de transferência de massa de oxigênio para a

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32/47 composição de fermentação resultante do sistema de aeração 106 é suficiente para manter condições aeróbicas na composição de fermentação. Em volumes maiores da composição de fermentação no vaso 102, tal como durante os aproximadamente os últimos dois terços do processo de fermentação aeróbica, o ciclo de recirculação 108 pode continuar a fornecer mistura adicional da composição de fermentação e transferência de calor da composição de fermentação.

[0075] Em algumas modalidades, a taxa de transferência de massa de oxigênio para a composição de fermentação pode ser controlada durante operação do sistema 100 controlando-se pelo menos uma dentre uma taxa de fluxo de gás que contém oxigênio introduzida pelo sistema de aeração 106, uma concentração de oxigênio no gás que contém oxigênio introduzida pelo sistema de aeração 106, uma taxa de fluxo de gás que contém oxigênio introduzida no edutor 140 do sistema de recirculação 108, a concentração de oxigênio no gás que contém oxigênio introduzida no edutor 140 do sistema de recirculação 108 ou uma viscosidade da composição de fermentação. Em outras modalidades, a taxa de transferência de massa de oxigênio para a composição de fermentação pode ser controlada durante operação do sistema 100 controlando-se a altura da composição de fermentação no vaso 102. Nas modalidades nas quais o vaso 102 é um vaso de pressão, a taxa de transferência de massa de oxigênio para a composição de fermentação pode ser controlada durante operação do sistema 100 controlando-se uma pressão no vaso 102.

[0076] Nas modalidades, a composição de fermentação pode ser passada através do ciclo de recirculação 108 por toda a duração do processo de fermentação aeróbica. Em algumas modalidades, o ciclo de recirculação 108 pode ser operado durante o processo de fermentação aeróbica pelo menos até que a altura H da composição de fermentação no vaso 102 atinja a altura-limite na qual um tempo de contato das bolhas de gás que contém oxigênio do sistema de aeração 106 pé suficiente para manter a taxa de

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33/47 transferência de massa de oxigênio na composição de fermentação que é igual ou maior que a taxa de absorção de oxigênio na composição de fermentação devido ao metabolismo microbiano.

[0077] Na conclusão do processo de fermentação aeróbica, a composição de fermentação pode ser removida do vaso 102 e um ou uma pluralidade de compostos de fermentação e/ou produtos resultantes do metabolismo do meio de nutriente pelos micro-organismos pode ser separado da composição de fermentação.

[0078] O sistema 100 que tem a combinação do sistema de aeração 106 e o ciclo de recirculação 108 pode fornecer uma taxa de transferência de massa de oxigênio para a composição de fermentação suficiente para manter condições aeróbicas na composição de fermentação no vaso 102 por todo o processo de fermentação. Nas modalidades, o sistema 100 que tem a combinação do sistema de aeração 106 e o ciclo de recirculação 108 pode fornecer uma taxa de transferência de massa de oxigênio suficiente para manter as condições aeróbicas no processo de fermentação sem empregar agitação motorizada. Em algumas modalidades, o sistema 100 que tem a combinação do sistema de aeração 106 e o ciclo de recirculação 108 pode fornecer uma taxa de transferência de massa de oxigênio de 10 milimols por litro por hora (mmol/l/h) a 150 mmol/l/h. Nas modalidades, o sistema 100 que tem a combinação do sistema de aeração 106 e o ciclo de recirculação 108 pode fornecer uma taxa de transferência de massa de oxigênio de 10 mmol/l/h a 120 mmol/l/h, de 10 mmol/l/h a 80 mmol/l/h, de 10 mmol/l/h a 50 mmol/l/h, de 30 mmol/l/h a 150 mmol/l/h, de 30 mmol/l/h a 120 mmol/l/h, de 30 mmol/l/h a 80 mmol/l/h, de 50 mmol/l/h a 150 mmol/l/h, de 50 mmol/l/h a 120 mmol/l/h, de 50 mmol/l/h a 80 mmol/l/h, de 80 mmol/l/h a 150 mmol/l/h ou de 80 mmol/l/h a 120 mmol/l/h. Em algumas modalidades, o sistema 100 que tem a combinação do sistema de aeração 106 e o ciclo de recirculação 108 pode fornecer uma taxa de transferência de massa de oxigênio de até 150 mmol/l/h ou até uma 120 mmol/l/h ou até 100 mmol/l/h ou até 80 mmol/l/h.

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34/47 [0079] Os sistemas 100, 200 que têm a combinação do sistema de aeração 106 e o ciclo de recirculação 108 (e opcionalmente o ciclo de recirculação complementar 208) possibilita maior capacidade de produção de um ou uma pluralidade de produtos com o uso de fermentação aeróbica em comparação a fermentadores aeróbicos típicos que não têm o sistema de aeração 106 tampouco o ciclo de recirculação 108. Os sistemas 100, 200 que têm o sistema de aeração 106 e o ciclo de recirculação 108 possibilita o uso de tanques de maior volume para o vaso 102, tais como tanques que têm volumes de 100 m³ a 4.000 m³, por exemplo. Adicionalmente, os sistemas 100, 200 podem possibilitar o uso de vasos 102 que têm menores razões de aspecto, tais como razões de aspecto de 0,5 a 4, por exemplo, em comparação a fermentadores aeróbicos típicos. Os sistemas 100, 200 também podem possibilitar que a fermentação aeróbica seja conduzida a pressões ambientes. A operação da fermentação aeróbica a pressões ambientes possibilita o uso de vasos 102 que não são classificados por pressão (por exemplo, tanques não pressurizados) e, então, têm paredes mais finas e são mais econômicos em comparação a vasos de pressão.

[0080] O sistema de aeração 106 e o ciclo de recirculação 108 do sistema 100 fornecem mistura uniforme da composição de fermentação no vaso 102. O fornecimento da mistura uniforme da composição de fermentação no vaso 102 pode eliminar a exigência de sistemas de agitação motorizada e/ou mecânica caros que podem exigir motores maiores com uma potência superior a 3.000 hp. Nas modalidades, o sistema 100 pode ser livre de sistemas de agitação motorizada e/ou mecânica e mecânica/motorizada. A eliminação da exigência de sistemas de agitação motorizados pode possibilitar vasos de parede fina, tais como tanques em conformidade com os padrões do Instituto de Petróleo Americano (API) para tanques de armazenamento de petróleo, por exemplo, para serem utilizados como o vaso 102 do sistema 100 para conduzir fermentações aeróbicas de maior produtividade. Nas modalidades, o vaso 102 do sistema 100 pode ser um vaso agitado não

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35/47 mecanicamente. Os sistemas 100, 200 que têm a combinação do sistema de aeração 106 e o ciclo de recirculação 108 também podem possibilitar a retroadaptação de vasos existentes não agitados a fim de conduzir a fermentação aeróbica e podem reduzir a espessura dos vasos 102 especificados para novas instalações de fermentação aeróbica.

[0081] A combinação do sistema de aeração 106 e ciclo de recirculação 108 dos sistemas 100, 200 pode fornecer taxas de transferência de massa de oxigênio para a composição de fermentação suficiente para manter condições aeróbicas na composição de fermentação ao longo de uma ampla faixa de volumes de líquido no vaso 102. Isso é particularmente eficaz para processos de fermentação aeróbica alimentada em batelada. Durante a fase de crescimento inicial (baixo volume de líquido) de um processo de fermentação aeróbica de alimentação em batelada, espera-se que a eficiência do sistema de aeração 106 seja pequena. Durante essa fase de crescimento inicial, altas taxas de transferência de massa de oxigênio no ciclo de recirculação 108 fornecem a transferência de massa de oxigênio suficiente para atender às demandas de oxigênio dissolvido e manter condições aeróbicas na composição de fermentação. Conforme descrito anteriormente, uma vez que o nível da composição de fermentação no vaso 102 é grande o suficiente, espera-se que a transferência de massa de oxigênio com o uso do ciclo de recirculação 108 seja menos eficiente devido a um tempo de virada aumentado da composição de fermentação. O tempo de virada é o tempo necessário para circular o equivalente de todo o volume da composição de fermentação durante o ciclo de recirculação 108. Portanto, em volumes maiores da composição de fermentação no vaso 102, o sistema de aeração 106 fornece uma transferência de massa de oxigênio maior e mais eficiente para a composição de fermentação em comparação ao ciclo de recirculação 108.

[0082] Os sistemas 100, 200 podem fornecer uma alternativa para conduzir fermentações com micro-organismos resistentes a cisalhamento. Os fermentadores agitados que têm sistemas de agitação

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36/47 motorizados produzem valores de cisalhamento de 3.000 por segundo (s’¹) ou maior, que está na mesma ordem de magnitude que os valores de cisalhamento dos misturadores estáticos 142. Desse modo, os misturadores estáticos 142 podem fornecer taxas de cisalhamento baixas o suficiente para evitar causar danos a micro-organismos resistentes a cisalhamento e evitar comprometer o desempenho do fermentador. Portanto, os sistemas 100, 200 podem fornecer uma substituição para sistemas de fermentação agitada.

[0083] Adicionalmente, os sistemas 100, 200 que têm o sistema de aeração 106 e ciclo de recirculação 108 podem fornecer a possibilidade de ter apenas o ciclo de recirculação 108 como a fonte de transferência de massa de oxigênio para a composição de fermentação. A utilização apenas do ciclo de recirculação 108 para transferir oxigênio à composição de fermentação pode fornecer um ambiente de fermentação condutor a fim de conduzir a fermentação de micro-organismos anaeróbicos ou microaerófilos facultativos. As bactérias anaeróbicas facultativas podem se proliferar na presença ou na ausência de oxigênio, porém a presença de oxigênio aumenta e pode alterar o metabolismo das mesmas. Alguns exemplos de bactérias anaeróbicas facultativas podem incluir, porém sem limitação, algumas espécies de Lactobacillus, Bacillus, Streptococcus, Enterococcus ou Leuconstoc, por exemplo. Os micro-organismos microaerófilos e estritamente aeróbicos não podem se proliferar tampouco fermentar materiais orgânicos de maneira anaeróbica. No entanto, os micro-organismos microaerófilos podem seguir trajetórias metabólicas na presença de altas concentrações de oxigênio. Os exemplos de micro-organismos microaerófilos podem incluir, porém sem limitação, algumas espécies de Escherichia, Klebsiellae, Streptomyces ou Propionibacterium, por exemplo. Os sistemas 100, 200 divulgados no presente documento podem fornecer controle aprimorado da taxa de transferência de massa de oxigênio na composição de fermentação a fim de conduzir fermentações condutoras com esses micro-organismos anaeróbicos ou microorganismos microaerófilos facultativos.

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37/47 [0084] O sistema 100 que tem o vaso 102, sistema de aeração 106 e ciclo de recirculação 108 conforme descrito no presente documento pode ser empregado em um método para conduzir fermentação aeróbica. Um método para conduzir fermentação aeróbica inclui introduzir a composição de fermentação no vaso 102, aspergir um primeiro corrente de gás que contém oxigênio na composição de fermentação e passar uma corrente da composição de fermentação para o ciclo de recirculação 108 que compreende pelo menos um edutor 140, pelo menos um misturador estático 142 a jusante do pelo menos um edutor 140 e pelo menos um trocador de calor 144 a jusante do pelo menos um edutor 140. A primeira corrente que contém oxigênio pode ser aspergida na composição de fermentação no vaso 102 pelo sistema de aeração 106 que tem o compressor 122, aspersor 120 e o sistema de esterilização a ar opcional 132. O método para conduzir fermentação aeróbica inclui adicionalmente eduzir uma segunda corrente de gás que contém oxigênio na corrente da composição de fermentação com o pelo menos um edutor 140 a fim de produzir uma corrente combinada 160 que compreende uma fase líquida e uma fase gasosa, sendo que a fase líquida compreende a composição de fermentação e a fase gasosa compreende o segundo gás que contém oxigênio. O método inclui adicionalmente transferir oxigênio da fase gasosa para a fase líquida com o uso do pelo menos um misturador estático 142 a fim de produzir uma composição de fermentação oxigenada 168. O método inclui remover calor da composição de fermentação oxigenada 168 com o pelo menos um trocador de calor 144 e passa a composição de fermentação oxigenada 168 do ciclo de recirculação de volta para o vaso 102.

[0085] Conforme discutido anteriormente, nas modalidades, o vaso 102 pode ter uma razão de aspecto de 0,5 a 4 ou de 0,5 a 2,0. A razão de aspecto do vaso 102 é definida como a altura da composição de fermentação no vaso 102 dividida pelo diâmetro do vaso. Em algumas modalidades, o volume interno do vaso pode ser de 100 metros cúbicos (m³) a 4.000 m³ ou de 500 m³ a 2.000 m³. O vaso 102 pode incluir qualquer recurso ou

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38/47 propriedade de acordo com uma modalidade descrita anteriormente na presente divulgação.

[0086] Nas modalidades, o método pode incluir adicionalmente eduzir uma terceira corrente de gás que contém oxigênio na composição de fermentação oxigenada a jusante do pelo menos um misturador estático 142 e do pelo menos um trocador de calor 144. Nas modalidades, o pelo menos um misturador estático 142 pode ser disposto dentro do pelo menos um trocador de calor 144. Em algumas modalidades, a composição de fermentação pode incluir uma cultura de células e um meio de nutriente. O sistema 100, incluindo o vaso 102, sistema de aeração 106, ciclo de recirculação 108, e componentes dos mesmos pode ter qualquer um dentre os recursos e/ou propriedades de acordo com quaisquer modalidades descritas anteriormente na presente divulgação.

[0087] Os sistemas 100, 200 para conduzir fermentações aeróbicas também podem ser empregados em um método para retroadaptar ou converter eficientemente um fermentador anaeróbico em um fermentador aeróbico. Por exemplo, o sistema de aeração 106, o sistema de recirculação 108 ou os dois podem ser acoplados de maneira fluida ao vaso de um fermentador anaeróbico existente para converter o fermentador anaeróbico ao sistema 100, 200 para converter fermentações aeróbicas. A conversão de fermentadores anaeróbicos existentes aos sistemas 100, 200 para conduzir fermentações aeróbicas pode ser mais eficiente e econômico do que construir novos sistemas de fermentação aeróbica. Referindo-se à Figura 1, um método para converter um fermentador anaeróbico em um sistema 100 para conduzir fermentação aeróbica inclui acoplar de maneira fluida um sistema de aeração 106 a um vaso 102 do fermentador anaeróbico, sendo que o sistema de aeração 106 inclui um aspersor 120 acoplado de maneira fluida ao vaso 102 e posicionado para introduzir um gás comprimido a um volume interno do vaso 102. O método inclui adicionalmente acoplar de maneira fluida um ciclo de recirculação 108 a uma saída 104 do vaso 102. O ciclo de recirculação 108 inclui

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39/47 um edutor 140, pelo menos um misturador estático 142 posicionado a jusante do edutor 140, pelo menos um trocador de calor 144 posicionado a jusante do edutor 140 e pelo menos um distribuidor 146 posicionado a jusante do pelo menos um misturador estático 142 e o pelo menos um trocador de calor 144. O distribuidor 146 pode ser acoplado de maneira fluida ao volume interno do vaso 102. O ciclo de recirculação 108 também pode incluir uma bomba 170 para circular a composição de fermentação através do ciclo de recirculação 108.

EXEMPLOS [0088] Os Exemplos a seguir são apresentados para demonstrar o desempenho de vários aspectos dos sistemas 100, 200 descritos na presente divulgação.

EXEMPLO 1

TRANSFERÊNCIA DE MASSA DE OXIGÊNIO POR AERAÇÃO [0089] Os experimentos foram conduzidos para determinar os critérios de aprovação de escala adequados para proporcionar um coeficiente de transferência de massa volumétrica ki.a igual a 0,1 por segundo (s’¹) dentro de todo o vaso do sistema de fermentação aeróbica. Os experimentos foram conduzidos em um 6.813,74 I (1.800 galões) vaso que tem um sistema de aeração acoplado de maneira fluida ao vaso. O vaso teve um diâmetro interno D de 167,64 centímetros (66 polegadas) e uma altura de lado reto Hv de 304,8 cm (120”). A altura H do líquido dentro do vaso foi mudada adicionando-se mais líquido ao vaso ou drenando-se uma porção dos teores existentes. Os experimentos foram realizados ao longo de uma faixa de alturas de líquido H de 0,91 metro (3 pés) a 2,44 metros (8 pés) correspondentes às razões de aspecto (H/D) na faixa de 0,55 a 1,5. Em cada experimento, o líquido usado foi água a uma temperatura nominal de 18 °C a 20 °C. O ar foi introduzido no vaso através de um ar aspersor que tem um diâmetro externo nominal de cerca de 127 centímetros (50 polegadas), e a taxa de fluxo de ar foi controlada com o uso de

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40/47 uma válvula de fluxo controlada pneumaticamente. Para cada altura de líquido, o gás que contém oxigênio foi borbulhado através do líquido pelo sistema de aeração em diferentes taxas de aeração Q_g em uma faixa de 0,57 metro cúbico por minuto (m³/min) (20 pés cúbicos padrão por minuto (scfm)) a 8,5 m³/min (300 scfm). A concentração de oxigênio no líquido C(t) foi medida como uma função de tempo para cada experimento caracterizada por um conjunto diferente de parâmetros de operação (H, Q_g). Em seguida, o coeficiente de transferência de massa volumétrica ki_a foi estimado a partir das medições C(t). Esse método é denominado comumente de método de medição dinâmica kia. A concentração de oxigênio no líquido C(t) foi medida com o uso de um medidor de oxigênio dissolvido (DO) modelo ProODO comercializado pela YSI, Inc. A sonda do medidor de DO teve um atrasado de resposta, τ_Ρ = 9 segundos. Esse atraso foi considerado na estimação da ki_a a partir das medições temporais do oxigênio dissolvido. Para cada experimento em cada altura de líquido e taxa de aeração (H, Q_g), um critério não dimensional, a saber, eficiência de transferência de oxigênio η₅, foi deduzido a partir dos experimentos. A Equação a seguir 2 foi usada para calcular a eficiência de transferência de oxigênio:

k_La hC ^(%) =7—— ^{x 100} Equação 2

Q_e/Vi Po₂ em que Q_g é a taxa de aeração (metros cúbicos padrão de gás por segundo (padr. m³/s)) do gás no líquido no vaso, 16 é o volume de líquido em metros cúbicos (m³), po2 é o peso em quilogramas de oxigênio (O2) por metros cúbicos padrão de ar (kgO2/padr-m³-ar), e AC é a mudança na concentração de oxigênio no líquido de composição de fermentação em unidades de quilogramas de oxigênio (O2) por metros cúbicos da composição de fermentação (caldo) (kgO2/m³-caldo). A eficiência de transferência de oxigênio η5 é relatada no presente documento em unidades de porcentagem (%).

[0090] Referindo-se agora à Figura 5, a eficiência de

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41/47 transferência de oxigênio η₅ é plotada em relação à taxa de formação de gás específica (isto é, taxa de fluxo de volume de gás por minuto, por unidade de volume de líquido (VVM)) para cada das alturas de líquido diferentes. A taxa de formação de gás específica VVM foi calculada a partir da Equação 3:

VVM = 60 x y Equação 3 em que VVM está em unidades de por minuto (min’¹). A Série 502 representa a taxa de transferência de oxigênio a uma altura de líquido de 0,91 metro (3 pés) em várias taxas de aeração Q_g. A Série 504 representa a taxa de transferência de oxigênio η₅ a uma altura de líquido de 1,22 metro (4 pés) em várias taxas de aeração Q_g. A Série 506 representa a taxa de transferência de oxigênio η₅ a uma altura de líquido de 1,83 metro (6 pés) em várias taxas de aeração Q_g. A Série 508 representa a taxa de transferência de oxigênio r)_s a uma altura de líquido de 2,13 metros (7 pés) em várias taxas de aeração Q_g. A Série 510 representa a taxa de transferência de oxigênio η₅ a uma altura de líquido de 2,44 metros (8 pés) em várias taxas de aeração Q_g.

[0091] Conforme mostrado na Figura 5, a cada altura, a eficiência de transferência de oxigênio η₅ no líquido é relativamente não sensível a mudanças em VVM, conforme indicado pela falta de mudança substancial na eficiência de transferência de oxigênio com VVM crescente. Isso indica que a eficiência de transferência de oxigênio r)_s é relativamente não sensível a mudanças na taxa de aeração Q_g. No entanto, a eficiência de transferência de oxigênio η₅ aumenta com altura de líquido crescente de cerca de 2% à altura de 0,91 metro (3 pés) da série 502 a cerca de 7% à altura de 3,66 metros (12 pés) 510.

[0092] Referindo-se agora à Figura 6, a eficiência de transferência de oxigênio média rç_s,_médía θ plotada em relação à altura de líquido H em metros (pés). A eficiência de transferência de oxigênio média a cada altura

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42H7

H foi determinada com o uso da seguinte Equação 4:

s,média ~ yy'vs.nj.Qg.n’H) Equação 4 n

em que n é o número de pontos de dados coletados em cada altura de líquido H específica (nesse Exemplo, n é igual a 6), e p_sn é a eficiência de transferência de oxigênio em cada ponto de dados para cada altura de líquido H específico. Conforme mostrado na Figura 6, a eficiência de transferência de oxigênio média η_5média aumenta quanto linearmente com a altura de líquido H específica de uma altura de líquido de 0,91 metro (3 pés) 602 a 1,22 metros (4 pés) 604, 1,83 (6 pés) 606, 2,13 metros (7 pés) 608 e 2,44 metros (8 pés) 610. Uma linha de tendência 612 ajustada aos dados na Figura 6 exibe um coeficiente angular de cerca de 0,85% por metros (pés) indicando que um aumento de 0,3 metro (1 pé) na altura de líquido H produz um aumento de cerca de 0,85% na eficiência de transferência de oxigênio média Hs.médía· [0093] Com esse entendimento, uma eficiência de transferência de oxigênio em escala de produção pode ser de 10% a 40%. Com a aplicação dessa faixa de eficiências de transferência de oxigênio, uma taxa de fluxo de aeração Q_g suficiente para fornecer um coeficiente de transferência de massa volumétrica específico geral ki_a pode ser estimada com o uso da seguinte Equação 4:

AC k_La x Vi

Q_g ~ — x------ Equação 5

Po₂ Ps em que η₅ pode ser estimado a partir da Figura 6, ki_a é o coeficiente de transferência de massa volumétrica e é parte da especificação do processo, Vi é o volume de líquido, AC é 0,0085 quilograma de oxigênio (O2) por metros cúbicos da composição de fermentação (caldo) (kgO2/m³-caldo), e p₀₂ é aproximadamente é igual a 0,28 quilograma de oxigênio (O2) por metro cúbico

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43/47 padrão de ar (kgO2/std-m³-ar). Um fator de segurança de 50% no Q_g estimado é recomendado para considerar incertezas nas condições de operação (por exemplo, viscosidade, temperatura, composição do caldo, etc.). Como exemplo, espera-se que uma taxa de aeração Q_g na escala de produção de 2.000 m³esteja em uma faixa de 33.980,22 m³/min (20.000 scfm) a 135.920,86 m³/min (80.000 scfm) a fim de proporcionar uma taxa de transferência de massa de oxigênio na faixa de 0,02 S’¹ a 0,12 S’¹.

EXEMPLO 2

TRANSFERÊNCIA DE MASSA DE OXIGÊNIO EM CICLO DE RECIRCULAÇÃO QUE TEM MISTURADORES ESTÁTICOS [0094] O aumento da taxa de transferência de massa de oxigênio circulando-se a composição de fermentação através do ciclo de recirculação 108 pode fornecer desempenho aprimorado durante determinados estágios do processo de fermentação aeróbica. Como exemplo, tal situação ocorre durante a fase de crescimento de da população microbiana (microorganismo), quando taxas de transferência de massa de oxigênio muito maiores são necessárias para manter a taxa de transferência de massa de oxigênio a um nível igual ou maior que o consumo de oxigênio dissolvido através de metabolismo microbiano em comparação à operação regular do processo de fermentação aeróbica. Conforme discutido anteriormente no presente documento, a limitação do comprimento pode reduzir incrustação das superfícies do ciclo de recirculação. Isso significa um tempo de permanência menor para a composição de fermentação no ciclo de recirculação. Portanto, a recirculação pode ser projetada para fornecer maiores taxas de transferência oxigênio em comparação ao sistema de aeração.

[0095] Os experimentos foram realizados para demonstrar a viabilidade de obter maiores taxas de oxigênio com o uso de um ciclo de recirculação que tem um edutor e um misturador estático. Com

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44/47 referência à Figura 7, o aparelho de laboratório 700 usado para conduzir os experimentos que consistiram em um primeiro tanque de retenção 702, uma bomba centrífuga 770 operada com um acionador de frequência variável (VFD) 771, um fluxômetro 772 para medir a taxa de fluxo de líquido fornecida ao conjunto edutor-misturador estático 738 e uma linha de fluxo 761 para ar. A taxa de fluxo de ar foi medida com o uso de um rotâmetro 760. O conjunto edutormisturador estático 738 incluiu um edutor 740 e um misturador estático 742 posicionado a jusante do edutor 740. O misturador estático foi um misturador estático SMXTM de 2,54 cm (1 polegada) nominal fabricado por Sulzer Ltd. Ο fluxo bifásico de gás-que surgem do conjunto edutor-misturador estático 738 foi coletado em um segundo tanque de retenção 704, em que as bolhas de ar se soltaram do líquido, deixando a água oxigenada 706. Um primeiro medidor de DO 710 foi posicionado no primeiro tanque de retenção para medir o nível dissolvido de oxigênio no primeiro tanque de retenção 702 e um segundo medidor de DO 712 foi posicionado no segundo tanque de retenção 704 a fim de medir o nível dissolvido de oxigênio na água oxigenada 706 no segundo tanque de retenção 704. Tanto o primeiro medidor de DO 710 quanto o segundo medidor de DO 712 foram os medidores de DO modelo ProOD comercializados por YSI, Inc. O nível dissolvido de oxigênio no primeiro tanque de retenção 702 foi registrado como Cí e o nível dissolvido de oxigênio no segundo tanque de retenção 704 foi registrado como C_o. Os experimentos foram conduzidos em múltiplas taxas de fluxo de líquido Qi através do contato em uma faixa de 9,09 l/min (2 galões por minuto (gpm)) a 45,146 l/min (10 gpm). Para cada taxa de fluxo de líquido Q_h a taxa de fluxo de ar Q_g variou de modo que o razão de taxa de fluxo estivesse na faixa de 0,05 a 1. Para cada experimento, o valor de ki_a foi estimado com o uso da Equação 6:

— D² L cano cano c_t\

- 7- L Equação 6

C_n /

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45/47

Em que Dcano é o diâmetro interno do cano do conjunto edutor-misturador estático 738 e é igual a 2,64 centímetros (1,04 polegada), e Lcano é O comprimento do cano que se estende do edutor 740 até o segundo tanque de retenção 704 e é igual a 1.016 centímetros (40 polegadas).

[0096] A Figura 8A é uma fotografia do misturador estático 742 do aparelho de laboratório 700 do Exemplo 2. O misturador estático 742 foi posicionado no interior de um conduíte transparente para possibilitar inspeção visual e imageamento do fluxo através do misturador estático 742. As Figuras 8B a 8E são fotografias do fluxo do líquido 802 e bolhas de ar 804 através do misturador estático 742 obtidas na região A da Figura 8A. A razão entre a taxa de fluxo de gás e a taxa de fluxo de líquido foi constante a 0,8 para cada uma das Figuras 8B a 8E. A taxa de fluxo total para a Figura 8B foi 9,09 l/min (2 galões por minuto (gpm)), a taxa de fluxo total para a Figura 8C foi 18,18 l/min (4 gpm), a taxa de fluxo total para Figura 8D foi 27,28 l/min (6 gpm) e a taxa de fluxo total para a Figura 8E foi 36,37 l/min (8 gpm). Conforme mostrado nas Figuras 8B a 8E, o tamanho médio das bolhas de gás criadas pelo misturador estático 742 diminui à medida que a taxa de fluxo total através do misturador estático 742 aumenta.

[0097] Uma consideração no dimensionamento do equipamento de produção é garantir o fluxo turbulento por todo o interior do misturador estático. A Figura 9 mostra os valores de coeficiente de transferência de massa volumétrica ki_a obtidos dentro do ciclo de recirculação em uma faixa de taxas de fluxo de líquido Qi e taxas de fluxo de gás Q_g plotadas como uma função da velocidade superficial de gás U_g (m/s) através do conjunto edutormisturador estático 738, que é calculada com o uso da Equação 7:

U_g = Equação 7 <y ΤΓΙ)^{Δ ηιγ}εαηο em que Q_g é a taxa de fluxo de gás e Dcano é o diâmetro interno do cano do

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46/47 conjunto edutor-misturador estático 738 e é igual a 2,64 centímetros (1,04 polegada). Na Figura 9, a série de dados 902 foi obtida a uma taxa de fluxo de líquido de 9,09 l/min (2 galões por minuto) (gpm), a série de dados 904 foi obtida a uma taxa de fluxo de líquido de 18,18 l/min (4 gpm), a série de dados 906 foi obtida a uma taxa de fluxo de líquido de 5 gpm, a série de dados 908 foi obtida a uma taxa de fluxo de líquido de 27,28 l/min (6 gpm) e a série de dados 910 foi obtida a uma taxa de fluxo de líquido de 36,37 l/min (8 gpm). Conforme mostrado na Figura 7, o aumento da velocidade superficial de gás U_g através do misturador estático 742 aumenta o coeficiente de transferência de massa volumétrica ki_a. Conforme mostrado pela linha de tendência 920 na Figura 9, a relação entre a velocidade superficial de gás Ug através do misturador estático 742 e o coeficiente de transferência de massa volumétrica ki_a é geralmente linear. O coeficiente angular da linha de tendência 920 na Figura 9 é 4,3 minutos’¹. No entanto, o coeficiente angular da linha de tendência 920 está propenso a depender do tipo de misturador estático 742 usado (SMX no presente caso) e dos detalhes da geometria de edutor. O coeficiente angular é amplamente não sensível a gás e taxas de fluxo de líquido.

[0098] Conforme mostrado na Figura 9, os coeficientes de transferência de massa volumétrica ki_a medidos para o ciclo de recirculação no Exemplo 2 são 5 a 30 vezes maiores que o coeficiente de transferência de massa volumétrica ki_a para o sistema de aeração do Exemplo

1.

[0099] Ao longo da presente divulgação, as faixas são fornecidas para vários parâmetros e características do sistema 100 para conduzir fermentações aeróbicas. Será observado que quando uma ou mais faixas explícitas são fornecidas, os valores individuais e as faixas formadas entre os mesmos também devem ser fornecidas, uma vez que o fornecimento de uma listagem explícita de todas as combinações possíveis é proibitivo. Por exemplo, uma faixa fornecida de 1 a 10 também inclui os valores individuais, tais como 1,

2, 3, 4,2 e 6,8, assim como todas as faixas que podem ser fornecidas dentro dos

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47/47 limites fornecidos, tais como 1 a 8, 2 a 4, 6 a 9 e 1,3 a 5,6.

[0100] Deve-se entender que vários aspectos do sistema 100 para conduzir fermentação aeróbica e métodos para conduzir fermentação aeróbica com o uso do sistema 100 são descritos e tais aspectos podem ser utilizados em combinação com vários outros aspectos. Além disso, será entendo pelas pessoas versadas na técnica que várias modificações e variações podem ser feitas às modalidades descritas sem haver afastamento do espírito e do escopo da matéria reivindicada. Desse modo, o presente relatório descritivo abrange as modificações e variações das modalidades descritas desde que tais modificações e variações sejam abrangidas pelo escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema para fermentação aeróbica caracterizado pelo fato de compreende:

um vaso;

um sistema de aeração que compreende um aspersor de gás acoplado de maneira fluida ao vaso e posicionado para introduzir um gás comprimido em um volume interno do vaso; e um ciclo de recirculação acoplado de maneira fluida a uma saída do vaso, sendo que o ciclo de recirculação compreende:

pelo menos um edutor acoplado de maneira fluida a uma fonte de gás que contêm oxigênio;

pelo menos um misturador estático a jusante do pelo menos um edutor;

pelo menos um trocador de calor a jusante do pelo menos um edutor; e pelo menos um distribuidor a jusante do pelo menos um misturador estático e do pelo menos um trocador de calor, sendo que o pelo menos um distribuidor está acoplado de maneira fluida ao volume interno do vaso;

em que, quando uma composição de fermentação é introduzida ao vaso, o aspersor de gás e o ciclo de recirculação fornecem mistura na composição de fermentação, e uma corrente da composição de fermentação passa do vaso no ciclo de recirculação, através do pelo menos um edutor, do pelo menos um misturador estático e do pelo menos um trocador de calor do ciclo de recirculação e passa para fora do pelo menos um distribuidor de volta para o volume interno do vaso.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o vaso tem uma razão de aspecto máxima de 0,5 a 4 ou de 0,5 a 2,0, sendo que a razão de aspecto máxima do vaso é definida como a altura máxima da composição de fermentação no vaso dividida pelo diâmetro do vaso,

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2/4 e em que o volume interno do vaso é de 100 metros cúbicos (m³) a 4.000 m³ ou de 500 m³ a 2000 m³.
3. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o ciclo de recirculação compreende adicionalmente uma bomba acoplada de maneira fluida ao ciclo de recirculação, em que quando a composição de fermentação é introduzida no vaso, a bomba circula a corrente da composição de fermentação através do ciclo de recirculação.
4. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um misturador estático está posicionado dentro do pelo menos um trocador de calor.
5. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um trocador de calor compreende um trocador de calor de envoltório-e-tubo, um trocador de calor de placa-e-armação ou os dois.
6. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o distribuidor está posicionado dentro do volume interior do vaso.
7. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o sistema de aeração compreende pelo menos um compressor acoplado de maneira fluida ao ar aspersor.
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o sistema de aeração compreende adicionalmente um aparelho de esterilização a ar acoplado de maneira fluida ao compressor ou ao ar aspersor.
9. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o ciclo de recirculação compreende um primeiro edutor e um segundo edutor, em que o primeiro edutor está posicionado a montante do pelo menos um trocador de calor e do pelo

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3/4 menos um misturador estático e o segundo edutor está posicionado a jusante da pelo menos um trocador de caior e o pelo menos um misturador estático.
10. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o ciclo de recirculação compreende pelo menos um primeiro trocador de calor e pelo menos um segundo trocador de calor, sendo que o pelo menos um primeiro trocador de calor está posicionado a montante do pelo menos um edutor, e o pelo menos um segundo trocador de calor está posicionado a jusante do pelo menos um edutor.
11. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um cicio de recirculação complementar que compreende um edutor, um trocador de calor e um misturador estático.
12. Método para conduzir fermentação aeróbica, sendo que o método é caracterizado pelo fato de que compreende:

introduzir uma composição de fermentação em um vaso;

aspergir um primeiro corrente de gás que contém oxigênio na composição de fermentação;

passar uma corrente da composição de fermentação em um ciclo de recirculação que compreende pelo menos um edutor, pelo menos um misturador estático a jusante do pelo menos um edutor e pelo menos um trocador de calor a jusante do pelo menos um edutor;

eduzir uma segunda corrente de gás que contém oxigênio na corrente da composição de fermentação com o pelo menos um edutor para produzir uma corrente combinada que compreende uma fase líquida e uma fase gasosa, sendo que a fase líquida compreende a composição de fermentação e a fase gasosa compreende o segundo gás que contém oxigênio;

transferir oxigênio da fase gasosa para a fase líquida com o uso do pelo menos um misturador estático para produzir uma composição de fermentação oxigenada na fase líquida;

remover calor da composição de fermentação oxigenada

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4/4 com o uso do pelo menos um trocador de calor; e passar a composição de fermentação oxigenada do ciclo de recirculação de volta para o vaso.
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o vaso tem uma razão de aspecto máxima de 0,5 a 4 ou de 0,5 a 2,0, sendo que a razão de aspecto máxima do vaso é definida como a altura máxima da composição de fermentação no vaso dividida pelo diâmetro do vaso, e em que o volume interno do vaso é de 100 metros cúbicos (m³) a 4.000 m³ ou de 500 m³ a 2000 m³.
14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente eduzir uma terceira corrente de gás que contém oxigênio na composição de fermentação oxigenada a jusante do pelo menos um misturador estático e do pelo menos um trocador de calor.
15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 14, caracterizado pelo fato de que a composição de fermentação compreende uma cultura de células e um meio de nutrientes.