BR112019018522A2 - vaso de destilação a vácuo, e, método para remover um produto de um caldo de fermentação. - Google Patents
vaso de destilação a vácuo, e, método para remover um produto de um caldo de fermentação. Download PDFInfo
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Abstract
a invenção é dirigida a um dispositivo e método associado para recuperar pelo menos um produto de um caldo de fermentação. a invenção se refere ao uso de um vaso de destilação a vácuo para recuperar produtos, tal como etanol, de um caldo de fermentação, onde o caldo de fermentação compreende biomassa microbiana viável e onde a recuperação do produto é completada de tal maneira a assegurar a viabilidade da biomassa microbiana. a invenção proporciona recuperação de produto a uma taxa eficaz, de modo a evitar a acumulação de produto no caldo de fermentação. para assegurar a viabilidade da biomassa microbiana, a invenção é projetada para reduzir a quantidade de tensão na biomassa microbiana. ao assegurar a viabilidade da biomassa microbiana, a biomassa microbiana pode ser reciclada e reusada no processo de fermentação, o que pode resultar em uma elevada eficiência do processo de fermentação.
Description
VASO DE DESTILAÇÃO A VÁCUO, E, MÉTODO PARA REMOVER UM PRODUTO DE UM CALDO DE FERMENTAÇÃO
REFERÊNCIA CRUZADA A UM PEDIDO RELACIONADO [001] O pedido reivindica o benefício do Pedido Provisório US 62/473.850, depositado em 20 de março de 2017, cujo conteúdo é aqui incorporado por referência.
CAMPO DE INVENÇÃO [002] Esta invenção se refere a um dispositivo e método associado para recuperar pelo menos um produto de um caldo de fermentação. Em particular, a invenção se refere ao uso de um vaso de destilação a vácuo para recuperar produtos de um caldo de fermentação, onde o caldo de fermentação contém biomassa microbiana viável e onde a recuperação de produto é completada de tal maneira em que a viabilidade da biomassa microbiana é assegurada.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [003] Dióxido de carbono (CO2) é responsável por cerca de 76% das emissões globais de gases de efeito estufa de atividades humanas, com metano (16%), óxido nitroso (6%) e gases fluorados (2%) responsáveis pelo balanço (United States Environmental Protection Agency). A maior parte do CO2 vem da queima de combustíveis fósseis para produzir energia, embora as práticas industriais e florestais também emitam CO2 para a atmosfera. A redução das emissões de gases de efeito estufa, particularmente CO2, é crítica para travar a progressão do aquecimento global e das mudanças associadas ao clima e ao tempo.
[004] Há muito tempo é reconhecido que processos catalíticos, tal como o processo Fischer-Tropsch, podem ser usados para converter gases contendo dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO) e/ou hidrogênio (H2), tal como gás de resíduos industriais ou syngas, em uma variedade de combustíveis e produtos químicos. Recentemente, no entanto,
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2/42 fermentação de gás emergiu como uma plataforma alternativa para a fixação biológica de tais gases. Em particular, microrganismos de fixação de Cl demonstraram converter gases contendo CO2, CO e/ou H2 em produtos, tal como etanol e 2,3-butanodiol. A produção de tais produtos pode ser limitada, por exemplo, por crescimento microbiano lento, consumo de gás limitado, sensibilidade a toxinas ou desvio de substratos de carbono para subprodutos indesejáveis.
[005] O acúmulo de produtos pode resultar em uma redução na eficiência de produção do processo de fermentação de gás. Para evitar acúmulo, estes produtos devem ser removidos a uma taxa efetiva. Se não forem removidos a uma taxa efetiva, estes produtos podem ter efeitos inibidores e/ou tóxicos nos microrganismos de fixação de Cl. Se os produtos acumularem até o ponto em que os microrganismos de fixação de Cl não podurem sobreviver, então, o processo de fermentação pode ter que ser interrompido e reiniciado. Antes de ser reiniciado, os fermentadores frequentemente exigem limpeza. Isto pode ser um processo demorado.
[006] Outra armadilha comumente associada à recuperação de produtos é a perda de microrganismos de fixação de Cl através de processos de recuperação tradicionais. Para superar a perda de microrganismos de fixação de Cl viáveis, métodos de filtração têm sido empregados. No entanto, ao longo do tempo, com os métodos de filtração tradicionais, o material particulado pode acumular no meio de filtro, o que pode levar a uma redução no fluxo do filtrado, exigindo finalmente limpeza e/ou substituição do meio de filtro.
[007] Por conseguinte, permanece uma necessidade de um sistema com requisitos de manutenção reduzidos que seja capaz de recuperar produtos a uma taxa eficaz, embora assegurando a viabilidade de microrganismos de fixação de Cl.
BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO
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3/42 [008] A invenção proporciona um dispositivo, nomeadamente, um vaso de destilação a vácuo, e um método associado, que utiliza um vaso de destilação a vácuo para recuperar pelo menos um produto de um caldo de fermentação. O vaso de destilação a vácuo é projetado para recuperar pelo menos um produto de um caldo de fermentação, o caldo de fermentação sendo distribuído de um biorreator, o vaso de destilação a vácuo compreendendo: (a) um revestimento externo, definindo uma entrada para receber o caldo de fermentação, o caldo de fermentação compreendendo biomassa microbiana viável e pelo menos um produto, uma saída para transferir uma corrente enriquecida de produto e uma saída para transferir uma corrente esgotada de produto, a corrente esgotada de produto compreendendo biomassa microbiana viável, a corrente esgotada de produto sendo transferida para o biorreator; e (b) uma seção de separação localizada dentro do revestimento, a seção de separação sendo ligada acima por uma bandeja superior e abaixo por uma bandeja inferior, a seção de separação definindo um meio de separação para proporcionar uma pluralidade de estágios de destilação teóricos; em que a saída para transferir a corrente enriquecida de produto é elevada em relação à entrada para receber o caldo de fermentação, a entrada para receber o caldo de fermentação sendo elevada em relação à bandeja superior e a saída para transferir a corrente esgotada de produto sendo elevada em relação à bandeja inferior.
[009] De preferência, o vaso de destilação a vácuo é capaz de processar o caldo de fermentação a uma dada taxa de alimentação. A taxa de alimentação sendo definida como o volume de caldo de fermentação por hora. O volume de caldo de fermentação é o volume de caldo de fermentação contido no biorreator. Em pelo menos uma modalidade, o vaso de destilação a vácuo é capaz de processar o caldo de fermentação a uma taxa de alimentação entre 0,05 e 0,5 volume de biorreator por hora. Em certas modalidades, a taxa de alimentação está entre 0,05 a 0,1, 0,05 a 0,2, 0,05 a 0,3, 0,05 a 0,4, 0,1 a
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0,3, 0,1 a 0,1 a 0,5 ou 0,3 a 0,5 volume de reator por hora.
[0010] Em certos casos, o caldo de fermentação tem um dado tempo de residência no vaso de destilação a vácuo. A quantidade de tempo que o caldo de fermentação está dentro do vaso de destilação a vácuo é a quantidade de tempo entre o momento em que o caldo de fermentação entra através da entrada para receber o caldo de fermentação e quando o caldo de fermentação sai através da saída para transferir a corrente esgotada de produto. De preferência, o tempo de residência está entre 0,5 e 15 minutos. Em várias modalidades, o tempo de residência está entre 0,5 e 12 minutos, 0,5 e 9 minutos, 0,5 e 6 minutos, 0,5 e 3 minutos, 2 e 15 minutos, 2 e 12 minutos, 2 e 9 minutos, ou 2 e 6 minutos. Em pelo menos uma modalidade, o tempo de residência é inferior a 15 minutos, inferior a 12 minutos, inferior a 9 minutos, inferior a 6 minutos, inferior a 3 minutos, inferior a 2 minutos ou inferior a 1 minuto, para assegurar a viabilidade dos microrganismos.
[0011] A invenção proporciona a transferência da corrente esgotada de produto para o biorreator através de uma saída no revestimento. Em pelo menos uma modalidade, o revestimento do vaso de destilação a vácuo é conectado ao biorreator por meios de tubulação. A corrente esgotada de produto pode ser passada através dos meios de tubulação do vaso de destilação a vácuo para o biorreator. De preferência, o bioreactor é operado sob condições para fermentação de um gás contendo Cl de um processo industrial.
[0012] O vaso de destilação a vácuo é projetado de modo a remover eficientemente produto do caldo de fermentação. O vaso de destilação a vácuo utiliza um meio de separação como parte do processo de remoção. O meio de separação pode ser qualquer material adequado para proporcionar contato vapor-líquido adequado.
[0013] Em certos casos, o meio de separação é fornecido de modo que a queda de pressão ao longo da altura do vaso de destilação a vácuo seja
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5/42 menor que 32 mbar. Em certos casos, a queda de pressão através da altura do vaso de destilação a vácuo é menor que 30 mbar, menor que 28 mbar, menor que 26 mbar, menor que 24 mbar, menor que 22 mbar, menor que 20 mbar ou menor que 18 mbar.
[0014] Em certos casos, o meio de separação é definido por uma série de bandejas de destilação. As bandejas de destilação podem ser qualquer série adequada de bandejas de destilação para fornecer contato vapor-líquido adequado.
[0015] A seção de separação do vaso de destilação a vácuo é projetada para proporcionar uma pluralidade de estágios de destilação teóricos, pelo que uma quantidade crescente de produto é vaporizada do caldo de fermentação quando o caldo de fermentação passa através dos estágios de destilação. De preferência, o meio de separação fornece múltiplos estágios teóricos de destilação. Em certas modalidades, o meio de separação proporciona pelo menos 3 estágios de destilação teóricos, ou pelo menos 5 estágios teóricos, ou pelo menos 6 estágios teóricos.
[0016] O vaso de destilação a vácuo é projetado de modo a assegurar a viabilidade da biomassa microbiana. Ao assegurar a viabilidade da biomassa microbiana, a corrente esgotada de produto sendo passada para o biorreator pode ser utilizada para o processo de fermentação de gás. De preferência, a viabilidade da biomassa microbiana é mantida a uma percentagem suficientemente alta. Em certos casos, a viabilidade da biomassa microbiana é maior que 80%, ou maior que 85%, ou maior que 90%, ou maior que 95%.
[0017] O vaso de destilação a vácuo pode ser projetado de modo que a viabilidade da biomassa microbiana não seja substancialmente reduzida quando passada através do vaso de destilação a vácuo. Em certos casos, a biomassa microbiana viável na corrente esgotada de produto é substancialmente igual à biomassa microbiana viável no caldo de fermentação. De preferência, a diferença entre a viabilidade da biomassa
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6/42 microbiana na corrente esgotada de produto e a viabilidade da biomassa microbiana no caldo de fermentação é inferior a 10%. Em certos casos, a diferença está entre 5 e 10%. Em certos casos, a diferença é menor que 5%. [0018] A viabilidade da biomassa microbiana pode ser medida usando qualquer meio adequado. De preferência, a viabilidade é medida usando citometria de fluxo e um ensaio vivo/morto. Em certos casos, a medição de viabilidade da biomassa microbiana no caldo de fermentação é retirada do caldo de fermentação antes de entrar no vaso de destilação a vácuo. Em certos casos, a medição de viabilidade da biomassa microbiana na corrente esgotada de produto é retirada da corrente esgotada de produto deixando o vaso de destilação a vácuo antes de a corrente esgotada de produto ser passada para o biorreator.
[0019] Em certos casos, uma ou mais variáveis podem ser mudadas como resultado da medição de viabilidade. Preferivelmente, as uma ou mais variáveis mudadas como resultado da medição de viabilidade são selecionadas do grupo compreendendo: pressão, temperatura, tempo de residência, concentração de produto em caldo de fermentação, taxa de alimentação de vapor e meio de separação.
[0020] Preferivelmente, a corrente esgotada de produto tem proporções reduzidas de produto em relação ao caldo de fermentação, de modo a impedir, ou pelo menos mitigar, a acumulação de produto no caldo de fermentação. Impedindo, ou pelo menos mitigando, a acumulação de produto no caldo de fermentação, o processo de fermentação pode ser contínuo. De preferência, o produto é recuperado de um processo de fermentação contínuo. Em certos casos, a corrente esgotada de produto compreende menos de 1% em peso de produto, ou menos de 0,8% em peso de produto, ou menos de 0,6% em peso de produto, ou menos de 0,4% em peso de produto ou menos de 0,2% em peso de produto ou menos de 0,1% em peso de produto.
[0021] Os microrganismos no biorreator podem ser capazes de
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7/42 produzir uma variedade de produtos diferentes. De preferência, um ou mais produtos recuperados do processo de fermentação contínuo são um produto de fermentação de baixa ebulição. Em certos casos, o produto é selecionado do grupo que consiste em etanol, acetona, isopropanol, butanol, cetonas, metil etil cetona, acetona, 2-butanol, 1-propanol, acetato de metila, acetato de etila, butanona, 1,3-butadieno, isopreno e isobuteno. Em certos casos, o vaso de destilação a vácuo é projetado com restrições específicas baseadas no produto sendo produzido. Em certos casos, o produto produzido no biorreator é etanol, acetona, isopropanol ou misturas dos mesmos. Em vários casos, a corrente enriquecida de produto compreende proporções elevadas de etanol, acetona, isopropanol ou misturas dos mesmos, em relação ao caldo de fermentação. Preferivelmente, o vaso de destilação a vácuo é projetado de modo que etanol possa ser eficazmente removido do caldo de fermentação. Em certos casos em que etanol é produzido pelos microrganismos, a corrente enriquecida de produto compreende proporções elevadas de etanol em relação ao caldo de fermentação. Em certas modalidades, o vaso de destilação a vácuo é projetado de modo que acetona possa ser eficazmente removida do caldo de fermentação. Em certos casos em que acetona é produzida pelos microrganismos, a corrente enriquecida de produto compreende proporções elevadas de acetona em relação ao caldo de fermentação. Em outras modalidades, o vaso de destilação a vácuo é projetado de modo que isopropanol possa ser removido eficazmente do caldo de fermentação. Em certos casos em que isopropanol é produzido pelos microrganismos, a corrente enriquecida de produto compreende proporções elevadas de isopropanol em relação ao caldo de fermentação.
[0022] Estes produtos podem ser posteriormente convertidos para produzir um ou mais produtos. Em pelo menos uma modalidade, pelo menos um ou mais produtos podem ser adicionalmente convertidos para produzir pelo menos um componente de diesel, combustível de jato e/ou gasolina. Em
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8/42 certos casos, acetona é ainda convertida para produzir metacrilato de metila.
Em certos casos, isopropanol é posteriormente convertido para produzir propileno.
[0023] Para remover eficazmente o produto do caldo de fermentação, embora mantendo a viabilidade do microrganismo, o vaso de destilação a vácuo opera a uma pressão abaixo da atmosférica. De preferência, o vaso de destilação a vácuo é operado a uma pressão entre 40 mbar(a) e 100 mbar(a), ou entre 40 mbar(a) e 80 mbar(a), ou entre 40 mbar(a) e 60 mbar(a), ou entre 50 mbar(a) e 100 mbar(a), ou entre 50 mbar(a) e 80 mbar(a), ou entre 50 mbar(a) e 70 mbar(a), ou entre 60 mbar(a) e 100 mbar(a), ou entre 60 mbar(a) e 100 mbar(a), ou entre 80 mbar(a) e 100 mbar(a).
[0024] Para remover efetivamente o produto do caldo de fermentação, a destilação a vácuo opera em uma faixa de temperatura capaz de remover produto, embora assegurando a viabilidade dos microrganismos. Em certos casos, o produto é selecionado do grupo que consiste em etanol, acetona e isopropanol. De preferência, o vaso de destilação a vácuo é operado a uma temperatura entre 35°C e 50°C. Em uma modalidade, a temperatura está entre 40°C e 45°C, ou entre 37°C e 45°C, ou entre 45°C e 50°C. Em vários casos, a temperatura é inferior a 37°C. Em modalidades projetadas para recuperação de acetona, o vaso de destilação a vácuo é preferivelmente operado a uma temperatura entre 35°C e 50°C. Em certas modalidades, para recuperação de acetona, a temperatura está entre 35°C e 45°C, ou entre 40°C e 45°C, ou entre 45°C e 50°C.
[0025] Em certos casos, um ou mais subprodutos são produzidos pela fermentação. Em certos casos, os um ou mais subprodutos são selecionados do grupo que consiste em ácidos carboxílicos (isto é, ácido acético e ácido láctico) e 2,3-butanodiol. Em certos casos, os um ou mais subprodutos não são separados do caldo de fermentação e são retomados ao biorreator na corrente esgotada de produto. Devido ao retomo contínuo de subprodutos ao
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9/42 biorreator, a quantidade de subproduto na fermentação pode acumular. Em certos casos, é desejável manter a concentração de subprodutos no caldo de fermentação abaixo de um nível predeterminado. A concentração aceitável de subprodutos pode ser determinada com base na tolerância do micróbio ao subproduto. Em certos casos, pode ser desejável fornecer a corrente esgotada de produto a um meio de separação secundário para remover um ou mais subprodutos da corrente esgotada de produto. Em certas modalidades, o subproduto é 2,3-butanodiol e a concentração de 2,3-butaendiol no caldo de fermentação é mantida abaixo de 10 g/L. Em certos casos, o subproduto é ácido acético e a concentração de ácido acético no caldo de fermentação é mantida abaixo de 10 g/L [0026] Em certos casos, a temperatura da corrente esgotada de produto é elevada de modo que a corrente esgotada de produto precise ser resfriada antes de ser passada para o biorreator. A temperatura da corrente pode ter um efeito direto na viabilidade do microrganismo. Por exemplo, temperaturas mais altas podem resultar em uma diminuição na viabilidade de microrganismo. Para evitar os efeitos negativos da temperatura elevada, a corrente esgotada de produto pode ser resfriada por qualquer meio de resfriamento adequado antes de ser enviada para o biorreator. Preferivelmente, a temperatura da corrente esgotada de produto é resfriada até entre 35°C e 40°C antes de ser retomada ao biorreator. Preferivelmente, o caldo de fermentação e a corrente esgotada de produto são mantidos abaixo de 45°C para evitar efeitos prejudiciais na viabilidade. Em uma modalidade, a temperatura está entre 37°C e 45°C para evitar efeitos prejudiciais. Em certos casos, a temperatura é dependente do microrganismo sendo usado. O efeito da temperatura na viabilidade de microrganismo pode ser aumentado em tempos de residência mais altos. Por exemplo, em tempos de residência mais altos, quando a temperatura está acima do ideal, a viabilidade dos microrganismos pode diminuir.
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10/42 [0027] Em certos casos, o caldo de fermentação pode conter proporções de gás. Gás no caldo de fermentação demonstrou impactar negativamente o desempenho do vaso de destilação a vácuo. Esta diminuição no desempenho pode ser devida, pelo menos em parte, à correlação entre gás no caldo de fermentação e produção de espuma no vaso de destilação a vácuo. Para reduzir as proporções de gás no caldo de fermentação, um vaso de desgaseificação pode ser utilizado. Quando utilizando um recipiente de desgaseificação, a entrada para receber o caldo de fermentação pode ser conectada por meios de tubulação ao recipiente de desgaseificação. O recipiente de desgaseificação é operado sob condições para remover pelo menos uma porção do gás do caldo de fermentação antes de o caldo de fermentação ser distribuído para o vaso de destilação a vácuo.
[0028] Em certos casos, o recipiente de desgaseificação é operado sob pressão. Em certos casos, o vaso de desgaseificação é operado a qualquer pressão menor que a pressão de operação do biorreator. De preferência, o vaso de desgaseificação é operado a uma pressão entre 0,0 bar(g) e 1,0 bar(g). Em uma modalidade, o vaso de desgaseificação é operado a uma pressão entre 0,0 bar(g) e 0,5 bar(g). Preferivelmente, o vaso de desgaseificação remove substancialmente todo o gás do caldo de fermentação. Em modalidades particulares, o vaso de desgaseificação remove entre 0 e 100% do gás no caldo de fermentação. Em certos casos, o vaso de desgaseificação remove mais de 20%, mais de 40%, mais de 60% ou mais de 80% do gás do caldo de fermentação. Em certos casos, o vaso de desgaseificação remove pelo menos uma porção de dióxido de carbono do caldo de fermentação. Em certos casos, o vaso de desgaseificação remove pelo menos 20%, ou pelo menos 40%, ou pelo menos 60%, ou pelo menos 80% de dióxido de carbono do caldo de fermentação.
[0029] O vaso de destilação a vácuo pode receber uma corrente de vapor de um refervedor. Se projetado para receber uma corrente de vapor de
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11/42 um refervedor, o revestimento externo do vaso de destilação a vácuo pode ainda definir uma entrada para receber a corrente de vapor. Esta corrente de vapor pode ser produzida de líquido do vaso de destilação a vácuo. Quando utilizando líquido do vaso de destilação a vácuo, o líquido pode ser transferido através de uma saída no revestimento do vaso de destilação a vácuo. Para transferir eficazmente a corrente de vapor para o vaso de destilação a vácuo, a entrada para receber a corrente de vapor pode estar localizada subjacente em relação à bandeja inferior e a saída para transferir a corrente de líquido pode estar localizada mais baixa em relação à entrada para receber a corrente de vapor.
[0030] De preferência, a corrente de líquido é compreendida substancialmente por água e quantidades mínimas de biomassa microbiana. O vaso de destilação a vácuo é projetado para transferir biomassa microbiana viável de volta para o biorreator. A biomassa microbiana viável está contida na corrente esgotada de produto. O vaso de destilação a vácuo transfere o produto esgotado para o biorreator através da saída para transferir a corrente esgotada de produto. A saída para transferir a corrente esgotada de produto é colocada acima da bandeja inferior. Caldo de fermentação, contendo biomassa microbiana, pode passar através desta bandeja inferior. Este caldo de fermentação atravessando pode, então, misturar com o líquido no fundo do vaso de destilação a vácuo. De preferência, apenas quantidades mínimas de biomassa microbiana acabam no líquido no fundo do vaso de destilação a vácuo. De preferência, menos de 0,042 volume de reator do caldo de fermentação contendo a biomassa microbiana atravessam a bandeja inferior por hora. Em certos casos, entre 0,002 e 0,042 volume de reator do caldo de fermentação contendo a biomassa microbiana atravessam a bandeja inferior por hora. Em várias modalidades, menos de 0,042, menos de 0,037, menos de 0,032, menos de 0,027, menos de 0,022, menos de 0,017, menos de 0,012, menos de 0,007 volume de reator do caldo de fermentação contendo a
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12/42 biomassa microbiana atravessam a bandeja inferior por hora. Este líquido, incluindo componentes do caldo de fermentação contendo biomassa microbiana, é, então, passado para o refervedor para produzir a corrente de vapor.
[0031] O vaso de destilação a vácuo pode incorporar uma ou mais bandejas adicionais abaixo da bandeja inferior. Uma ou mais bandejas adicionais podem fornecer remoção de produto adicional. Quando incluindo uma ou mais bandejas adicionais, o caldo de fermentação que atravessa a bandeja inferior é passado para as uma ou mais bandejas adicionais, onde quantidades adicionais de produto podem ser recuperadas. Depois de atravessar as uma ou mais bandejas adicionais, o caldo de fermentação mistura com o líquido no fundo do vaso de destilação a vácuo. Este líquido, incluindo componentes do caldo de fermentação contendo biomassa microbiana, é, então, passado para o refervedor para produzir a corrente de vapor.
[0032] O vaso de destilação a vácuo pode ser separado em múltiplos compartimentos. De preferência, quando o vaso de destilação a vácuo é separado em múltiplos compartimentos, o caldo de fermentação dentro de cada compartimento está contido de modo que o caldo de fermentação de um compartimento não se misture com o caldo de fermentação de outro compartimento. Esta separação pode ser conseguida através de qualquer meio adequado. Em certos casos, o caldo de fermentação pode ser proveniente de múltiplos biorreatores. A corrente esgotada de produto do caldo de fermentação pode ser enviada de volta para o biorreator do qual o caldo de fermentação foi derivado. Ao evitar mistura entre os múltiplos compartimentos, um vaso de destilação a vácuo pode ser utilizado para recuperar eficazmente o produto de uma pluralidade de biorreatores.
[0033] De preferência, o biorreator que fornece o caldo de fermentação é utilizado para fermentação de um substrato contendo Cl. Este
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13/42 substrato contendo Cl utilizado no processo de fermentação pode ser proveniente de um ou mais processos industriais. Preferivelmente, o processo industrial é selecionado do grupo compreendendo: fermentação de carboidrato, fermentação de gás, fabricação de cimento, fabricação de polpa e papel, fabricação de aço, refino de óleo e processos associados, produção petroquímica, produção de coque, digestão anaeróbica ou aeróbica, gás de síntese (derivado de fontes incluindo, mas não limitadas a, biomassa, correntes de resíduos líquidos, correntes de resíduos sólidos, correntes municipais, recursos fósseis incluindo gás natural, carvão e petróleo), extração de gás natural, extração de petróleo, processos metalúrgicos para produção e/ou refino de alumínio, cobre e/ou ligas de ferro, reservatórios geológicos e processos catalíticos (derivados das fontes de vapor incluindo, mas não se limitando a, reforma de metano de vapor, reforma de nafta de vapor, gaseificação de coque de petróleo, regeneração de catalisador craqueamento de catalisador fluido, regeneração de catalisador-reforma de nafta e reforma de metano seco).
[0034] A invenção proporciona um método para remover pelo menos um produto do caldo de fermentação utilizando um vaso de destilação a vácuo, o método compreendendo: (a) passar um caldo de fermentação compreendendo biomassa microbiana viável e pelo menos um produto de um biorreator para um vaso de destilação a vácuo; (b) vaporizar parcialmente o caldo de fermentação para produzir uma corrente enriquecida de produto e uma corrente esgotada de produto, a corrente esgotada de produto compreendendo biomassa microbiana viável; e (c) passar a corrente esgotada de produto de volta para o biorreator. A invenção pode ser projetada de maneira que a viabilidade da biomassa microbiana no caldo de fermentação seja assegurada de modo que, quando passada para o biorreator, a biomassa microbiana será utilizada para fermentação de um substrato contendo Cl.
[0035] De preferência, o gás no caldo de fermentação é monitorado e
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14/42 controlado. O gás no caldo de fermentação pode resultar em uma diminuição no desempenho do vaso de destilação a vácuo. Para controlar o gás no caldo de fermentação uma etapa de desgaseificação pode ser necessária. Se o caldo de fermentação contiver proporções de gás mais altas que as aceitáveis, o caldo de fermentação é passado para um meio de desgaseificação antes de passar um caldo de fermentação desgaseificado para o vaso de destilação de vácuo.
[0036] A etapa de desgaseificação pode ser completada de modo que uma corrente de gás evolvida seja separada do caldo de fermentação produzindo um caldo de fermentação desgaseificado. O caldo de fermentação desgaseificado é, então, capaz de ser parcialmente vaporizado pelo vaso de destilação a vácuo, produzindo a corrente enriquecida de produto e a corrente esgotada de produto.
[0037] A porção de gás que forma a corrente de gás evolvida pode conter proporções de produto. Para evitar perda de produto através de remoção de gás, a corrente de gás evolvida pode ser enviada para processamento subsequente. Em certos casos, a corrente de gás evolvida é passada para um lavador de água para recuperar pelo menos um produto. Em certos casos, a corrente de gás evolvida pode ser enviada para o biorreator.
[0038] O método pode utilizar um vaso de destilação a vácuo que compreende uma seção de separação localizada dentro de um revestimento. De preferência, a seção de separação localizada dentro do revestimento é ligada acima por uma bandeja superior e abaixo por uma bandeja inferior. A seção de separação pode fornecer múltiplos estágios de destilação teóricos.
[0039] O caldo de fermentação sendo processado pode conter qualquer microrganismo adequado. Por exemplo, o microrganismo pode ser selecionado do grupo compreendendo: Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Clostridium acetobutylicum, Clostridium beijerinckii, Clostridium saccharbutyricum, Clostridium saccharoperbutylacetonicum, Clostridium
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15/42 butyricum, Clostridium diolis, Clostridium kluyveri, Clostridium pasterianium, Clostridium novyi, Clostridium difficile, Clostridium thermocellum, Clostridium cellulolyticum, Clostridium cellulovorans, Clostridium phytofermentans, Lactococcus lactis, Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Zymomonas mobilis, Klebsiella oxytoca, Klebsiella pneumonia, Corynebacterium glutamicum, Trichoderma reesei, Cupriavidus necator, Pseudomonas putida, Lactobacillus plantarum e Methylobacterium extorquens. Em certos casos, o microrganismo pode ser uma bactéria de fixação Cl selecionada do grupo compreendendo: Acetobacterium woodii, Alkalibaculum bacchii, Blautia producta, Butyribacterium methylotrophicum, Clostridium aceticum, Clostridium autoethanogenum, Clostridium carboxidivorans, Clostridium coskatii, Clostridium drakei, Clostridium formicoaceticum, Clostridium ljungdahlii, Clostridium magnum, Clostridium ragsdalei, Clostridium scatologenes, Eubacterium limosum, Moorella thermautotrophica, Moorella thermoacetica, Oxobacter pfennigii, Sporomusa ovata, Sporomusa silvacetica, Sporomusa sphaeroides, and Thermoanaerobacter kiuvi. De preferência, o microrganismo é um membro do gênero Clostridium. Em certos casos, o microrganismo é Clostridium autoethanogenum.
[0040] Os microrganismos podem ser capazes de produzir uma variedade de produtos diferentes. De um modo preferido, um ou mais produtos produzidos pelos microrganismos são um produto de fermentação de baixa ebulição. Em certos casos, o produto é selecionado do grupo que consiste em etanol, acetona, isopropanol, butanol, cetonas, metil etil cetona, acetona, 2-butanol, 1-propanol, acetato de metila, acetato de etila, butanona, 1,3-butadieno, isopreno e isobuteno. Em certos casos, o método é otimizado com base no produto sendo produzido. Em certos casos, o produto produzido no biorreator é etanol. De preferência, o método é otimizado de modo que etanol possa ser removido eficazmente do caldo de fermentação. Em certos
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16/42 casos, o microrganismo produz pelo menos um subproduto. Numa modalidade, o pelo menos um subproduto é selecionado do grupo que consiste em ácido acético, ácido láctico e 2,3-butanodiol.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0041] A Fig. 1 é um diagrama de fluxo esquemático mostrando o vaso de destilação a vácuo, o vaso de desgaseificação e o refervedor de acordo com um aspecto da invenção.
[0042] A Fig. 2 é um diagrama de fluxo esquemático mostrando o vaso de destilação a vácuo, vaso de desgaseificação e refervedor, em que o vaso de destilação a vácuo inclui uma ou mais bandejas adicionais abaixo da bandeja inferior de acordo com um aspecto da invenção.
[0043] A Fig. 3 é um gráfico mostrando o perfil de metabólito de uma passagem de fermentação em batelada de acordo com um aspecto da invenção.
[0044] A Fig. 4 é um gráfico mostrando a absorção de gás da passagem de fermentação em batelada correspondente ao perfil de metabólito mostrado na Fig. 3 de acordo com um aspecto da invenção.
[0045] A Fig. 5 é um gráfico mostrando a viabilidade dos microrganismos atravessando o vaso de destilação a vácuo de um biorreator com uma certa configuração de acordo com um aspecto da invenção.
[0046] A Fig. 6 é um gráfico mostrando a viabilidade dos microrganismos atravessando o vaso de destilação a vácuo de um biorreator com uma configuração diferente daquela mostrada na Fig. 5 de acordo com um aspecto da invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [0047] Os inventores identificaram que, utilizando um vaso de destilação a vácuo particularmente projetado, pelo menos um produto, tal como etanol, pode ser recuperado com eficácia de um caldo de fermentação contendo biomassa microbiana viável, embora assegurando a viabilidade da
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17/42 biomassa microbiana.
Definições [0048] O termo “vaso de destilação a vácuo” se destina a abranger um dispositivo para conduzir destilação sob vácuo, em que o líquido sendo destilado é encerrado a uma pressão baixa para reduzir seu ponto de ebulição. De preferência, o vaso de destilação a vácuo inclui um revestimento para encerrar um meio de separação. De preferência, o líquido sendo destilado é caldo de fermentação compreendendo biomassa microbiana viável e pelo menos um produto. Esse caldo de fermentação pode ser proveniente de um bioreator. O biorreator pode ser usado para fermentação de um substrato contendo Cl.
[0049] “Revestimento” se refere à tampa ou casca que protege ou encerra o meio de separação. De preferência, o revestimento inclui uma série de entradas e saídas para transferir líquido e/ou gás. O revestimento deve incluir pelo menos uma entrada para receber caldo de fermentação, pelo menos uma saída para transferir uma corrente enriquecida com produto e pelo menos uma saída para transferir uma corrente esgotada de produto.
[0050] “Meio de separação” é usado para descrever qualquer meio adequado capaz de fornecer uma grande área de superfície para contato vapor-líquido, o que aumenta a eficácia da coluna de destilação a vácuo. Esse meio de separação é projetado para fornecer uma pluralidade de estágios de destilação teóricos. Em pelo menos uma modalidade, o meio de separação é uma série de bandejas de destilação.
[0051] “Bandejas de destilação” ou “placas de destilação” e similares se destinam a englobar placas e/ou bandejas usadas para encorajar o contato vapor-líquido. Tipos de bandeja incluem peneira, válvula e tampa de bolha. Bandejas de peneira que contêm furos vapor fluir atravessando são usadas para situações de alta capacidade, proporcionando alta eficiência a um baixo custo. Embora menos dispendiosas, bandejas de válvula, contendo furos com
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18/42 válvulas de abertura e fechamento, têm a tendência a experimentar incrustação devido ao acúmulo de material. Bandejas de tampa de bolha contêm tampas e são as mais avançadas e caras das três bandejas e são altamente eficazes em algumas situações de taxa de fluxo de líquido.
[0052] De preferência, a “bandeja superior” é qualquer limite adequado pelo qual o caldo de fermentação pode ser distribuído para baixo para o meio de separação.
[0053] De preferência, a “bandeja inferior” é qualquer limite adequado para efetuar a transferência da corrente esgotada de produto através da saída no revestimento.
[0054] Um “estágio de destilação teórico” é uma zona hipotética na qual duas fases, tal como as fases líquida e de vapor de uma substância, estabelecem um equilíbrio entre si. O desempenho de muitos processos de separação depende de ter uma série de estágios de destilação teóricos. O desempenho de um dispositivo de separação, tal como um vaso de destilação a vácuo”, pode ser intensificado fornecendo um número elevado de estágios. Preferivelmente, o meio de separação inclui um número suficiente de estágios de destilação teóricos para remover eficazmente pelo menos um produto do caldo de fermentação. Preferivelmente, o meio de separação inclui múltiplos estágios de destilação teóricos.
[0055] O termo “caldo de fermentação” ou “caldo” se destina a englobar a mistura de componentes incluindo o meio nutriente, a cultura de um ou mais microrganismos e os um ou mais produtos. Deve ser observado que o termo microrganismo e o termo bactérias são usados intercambiavelmente ao longo do documento.
[0056] “Meios nutrientes” ou “meio nutriente” é usado para descrever o meio de crescimento bacteriano. Geralmente, este termo se refere a um meio contendo nutrientes e outros componentes apropriados para o crescimento de uma cultura microbiana. O termo “nutriente” inclui qualquer substância que
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19/42 possa ser utilizada em uma via metabólica de um microrganismo. Nutrientes exemplares incluem potássio, vitaminas B, metais de traços e aminoácidos. [0057] De preferência, o caldo de fermentação é enviado de um “biorreator” para o vaso de destilação a vácuo. O termo “biorreator” inclui um dispositivo de fermentação, consistindo em um ou mais vasos e/ou torres ou arranjos de tubulação, que inclui o Reator de Tanque Agitado Contínuo (CSTR), Reciclos de Células Imobilizadas (ICR), Reator de Leito Gotejante (TBR), Coluna de Bolha, Fermentador de Elevação de Gás, Misturador Estático, um reator de circuito circulado, um reator de membrana, tal como um Biorreator de Membrana de Fibra Oca (HFM BR) ou outro vaso ou outro dispositivo adequado para contato gás-líquido. O reator é de preferência adaptado para receber um substrato gasoso compreendendo CO ou CO2 ou H2 ou misturas dos mesmos. O reator pode compreender múltiplos reatores (estágios), seja em paralelo ou em série. Por exemplo, o reator pode compreender um primeiro reator de crescimento no qual as bactérias são cultivadas e um segundo reator de fermentação, ao qual caldo de fermentação do reator de crescimento pode ser alimentado e no qual a maioria dos produtos de fermentação pode ser produzida.
[0058] “Substratos gasosos compreendendo monóxido de carbono” incluem qualquer gás que contenha monóxido de carbono. O substrato gasoso conterá tipicamente uma proporção significativa de CO, de preferência pelo menos cerca de 5% a cerca de 100% de CO em volume.
[0059] Embora não seja necessário que o substrato contenha algum hidrogênio, a presença de H2 não deve ser prejudicial para a formação do produto de acordo com os métodos da invenção. Em modalidades particulares, a presença de hidrogênio resulta numa eficiência global melhorada de produção de álcool. Por exemplo, em modalidades particulares, o substrato pode compreender uma razão aproximada de 2:1, ou 1:1, ou 1:2 de H2:CO. Em uma modalidade, o substrato compreende cerca de 30% ou menos
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20/ 42 de H2, 20% ou menos de H2 em volume, cerca de 15% ou menos de H2 em volume ou de cerca de 10% ou menos sw H2 em volume. Em outras modalidades, a corrente de substrato compreende baixas concentrações de H2, por exemplo, menos de 5%, ou menos de 4%, ou menos de 3%, ou menos de 2%, ou menos de 1%, ou é substancialmente livre de hidrogênio. O substrato também pode conter um pouco de CO2, por exemplo, tal como cerca de 1 % a cerca de 80% de CO2 em volume, ou 1% a cerca de 30% de CO2 em volume. Em uma modalidade, o substrato compreende menos ou igual a cerca de 20% de CO2 em volume. Em modalidades particulares, o substrato compreende menos de ou igual a cerca de 15% de CO2 em volume, menos ou igual a cerca de 10% de CO2 em volume, menos ou igual a cerca de 5% de CO2 em volume, ou substancialmente nenhum CO2.
[0060] O uso de um vaso de destilação a vácuo com um biorreator pode aumentar a eficiência do processo de fermentação. Os termos “aumentar a eficiência”, “eficiência aumentada” e similares, quando usados em relação a um processo de fermentação incluem, mas não se limitam a, aumentar uma ou mais de taxa de crescimento de microrganismos que catalisam a fermentação, o crescimento e/ou a taxa de produção de produto em concentrações de produto elevadas, o volume de produto desejado produzido por volume de substrato consumido, a taxa de produção ou o nível de produção do produto desejado e a proporção relativa do produto desejado produzido em comparação com outros subprodutos da fermentação.
[0061] A menos que o contexto exija o contrário, as frases “fermentação”, “processo de fermentação” ou “reação de fermentação” e similares, como usadas aqui, se destinam a englobar tanto a fase de crescimento quanto a fase de biossíntese de produto dos microrganismos. [0062] O processo de fermentação pode ser descrito ou como “batelada” ou como “contínuo”. A “fermentação em batelada” é usada para descrever um processo de fermentação onde o biorreator é preenchido com
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21/42 matéria-prima, isto é, a fonte de carbono, juntamente com microrganismos, onde os produtos permanecem no biorreator até a fermentação estar concluída. Em um processo de “batelada”, após a fermentação estar completa, os produtos são extraídos e o biorreator é limpo antes que a próxima “batelada” seja iniciada. “Fermentação contínua” é usada para descrever um processo de fermentação onde o processo de fermentação é prolongado por períodos de tempo mais longos e o produto e/ou metabólito é extraído durante a fermentação. De preferência, o vaso de destilação a vácuo remove produto de um processo de “fermentação contínua”.
[0063] Um “microrganismo” é um organismo microscópico, especialmente uma bactéria, arquea, vírus ou fungo. O microrganismo da invenção é tipicamente uma bactéria. Como usada aqui, a recitação de “microrganismo” deve ser tomada para englobar “bactéria”.
[0064] “Viabilidade” ou “viabilidade da biomassa microbiana” e similares se referem à razão de microrganismos que estão vivos, capazes de viver, se desenvolver ou se reproduzir para aqueles que não estão. Por exemplo, biomassa microbiana viável em um vaso de destilação a vácuo pode se referir à razão de microrganismos vivos/mortos dentro do vaso de destilação a vácuo. A invenção pode ser projetada de modo que a viabilidade da biomassa microbiana seja mantida em uma viabilidade mínima. Em pelo menos uma modalidade, a viabilidade da biomassa microbiana é pelo menos de cerca de 85%. Em pelo menos uma modalidade, a biomassa microbiana viável é retomada do vaso de destilação a vácuo de volta para o biorreator.
[0065] “Taxa efetiva de recuperação de produto” e semelhantes se refere à taxa à qual produto pode ser recuperado do caldo de fermentação, de modo a prevenir ou, pelo menos mitigar, os efeitos tóxicos e/ou inibidores associados à acumulação de produto. A invenção pode ser projetada de modo que a taxa efetiva de recuperação de produto seja tal que a viabilidade da biomassa microbiana seja mantida acima de um limiar desejado. A invenção
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22/42 pode ser projetada de modo que o nível de concentração de produto no caldo seja mantido abaixo de um limiar desejado. Por exemplo, a invenção pode ser projetada de modo que a concentração de etanol no caldo de fermentação seja mantida abaixo de 40 g/L. Em certos casos, a concentração de etanol no caldo de fermentação é mantida entre 25 e 35 g/L. Em casos particulares, a concentração de etanol no caldo de fermentação é inferior a 30 g/L, inferior a 35 g/L ou inferior a 38 g/L. De preferência, a concentração de etanol no caldo de fermentação é menor do que a concentração que pode resultar na inibição do microrganismo. Em casos particulares, a inibição pode depender do microrganismo sendo utilizado e do produto sendo produzido.
[0066] O vaso de destilação a vácuo pode passar a corrente esgotada de produto para um “meio de resfriamento” antes de a corrente esgotada de produto ser passada para o biorreator. O termo “meios de resfriamento” pode descrever qualquer dispositivo ou processo adequado capaz de reduzir a temperatura da corrente esgotada de produto.
[0067] Os microrganismos no biorreator podem ser modificados de um microrganismo que ocorre naturalmente. Um “microrganismo parental” é um microrganismo usado para gerar um microrganismo da invenção. O microrganismo parental pode ser um microrganismo ocorrendo naturalmente (isto é, um microrganismo do tipo selvagem) ou um microrganismo que foi previamente modificado (isto é, um microrganismo mutante ou recombinante). O microrganismo da invenção pode ser modificado para expressar ou superexpressar uma ou mais enzimas que não eram expressas ou superexpressas no microrganismo parental. Similarmente, o microrganismo da invenção pode ser modificado para conter um ou mais genes que não estavam contidos pelo microrganismo parental. O microrganismo da invenção também pode ser modificado para não expressar ou expressar quantidades mais baixas de uma ou mais enzimas que foram expressas no microrganismo parental. Em uma modalidade, o microrganismo parental é Clostridium
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23/ 42 autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii ou Clostridium ragsdalei. Numa modalidade preferida, o microrganismo parental é Clostridium autoethanogenum LZ1561 que foi depositado em 7 de junho de 2010 no Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH (DSMZ), localizado em InhoffenstraB 7B, D-38124 Braunschwieg, Alemanha, em 7 de junho de 2010 sob a termos do Tratado de Budapeste e recebeu o número de acessão DSM23693. Esta cepa é descrita no Pedido de Patente Internacional PCT/NZ2011/000144, publicado como WO 2012/015317.
[0068] “Wood-Ljungdahl” se refere à via de fixação de carbono de Wood-Ljungdahl como descrita, isto é, por Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784: 1873-1898, 2008. “Microrganismos de Wood-Ljungdahl” se refere, previsivelmente, a microrganismos contendo a via de Wood-Ljungdahl. Geralmente, o microrganismo da invenção contém uma via nativa de WoodLjungdahl. Aqui, uma via de Wood-Ljungdahl pode ser uma via de WoodLjungdahl nativa, não modificada, ou ela pode ser uma via de WoodLjungdahl com algum grau de modificação genética (isto é, superexpressão, expressão heteróloga, knockout, etc.), desde que ela ainda funcione para converter CO, CO2 e/ou H2 em acetil-CoA.
[0069] “Cl” se refere a uma molécula de um carbono, por exemplo, CO, CO2, CH4 ou CH3OH. “Cl-oxigenado” se refere a uma molécula de um carbono que também compreende pelo menos um átomo de oxigênio, por exemplo, CO, CO2 ou CH3OH. “Fonte de carbono Cl” se refere a uma molécula de um carbono que serve como uma fonte de carbono parcial ou única para o microrganismo da invenção. Por exemplo, uma fonte de carbono Cl pode compreender um ou mais de CO, CO2, CH4, CH3OH ou CH2O2. De preferência, a fonte de carbono Cl-compreende um ou ambos de CO e de CO2. Um “microrganismo de fixação de Cl” é um microrganismo que tem a capacidade de produzir um ou mais produtos de uma fonte de carbono Cl. Tipicamente, o microrganismo da invenção é uma bactéria de fixação de Cl.
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24/42 [0070] Um “anaeróbico” é um microrganismo que não requer oxigênio para crescimento. Um anaeróbico pode reagir negativamente ou mesmo morrer se oxigênio estiver presente acima de um certo limiar. No entanto, alguns anaeróbicos são capazes de tolerar baixos níveis de oxigênio (isto é, 0,000001-5% de oxigênio). Tipicamente, o microrganismo da invenção é um anaeróbico.
[0071] “Acetogênicas” são bactérias anaeróbicas obrigatoriamente que usam a via de Wood-Ljungdahl como seu principal mecanismo para conservação de energia e para síntese de acetil-CoA e produtos derivados de acetil-CoA, tal como acetato (Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784: 18731898, 2008). Em particular, acetogênicas usam a via de Wood-Ljungdahl como (1) mecanismo para a síntese redutora de acetil-CoA de CO2, (2) processo de conservação de energia aceitador de elétron terminal, (3) mecanismo para a fixação (assimilação) de CO2 na síntese de carbono celular (Drake, Acetogenic Prokaryotes, In: The Prokaryotes, 3rd edition, p. 354, New York, NY, 2006). Todas as acetogênicas ocorrendo naturalmente são fixadoras de Cl, anaeróbicas, autotróficas e não metanotróficas. Tipicamente, o microrganismo da invenção é uma acetogênica.
[0072] Um “etanologênico” é um microrganismo que produz ou é capaz de produzir etanol. Tipicamente, o microrganismo da invenção é um etanologênico.
[0073] Um “autotrofo” é um microrganismo capaz de crescer na ausência de carbono orgânico. Em vez disso, autótrofos usam fontes de carbono inorgânico, tal como CO e/ou CO2. Tipicamente, o microrganismo da invenção é um autotrofo.
[0074] Um “carboxidotrofo” é um microrganismo capaz de utilizar
CO como uma única fonte de carbono e energia. Tipicamente, o microrganismo da invenção é um carboxidotrofo.
[0075] Um “metanotrofo” é um microrganismo capaz de utilizar
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25/42 metano como uma única fonte de carbono e energia. Em certas modalidades, o microrganismo da invenção é um metanotrofo ou é derivado de um metanotrofo. Em outras modalidades, o microrganismo da invenção não é um metanotrofo ou não é derivado de um metanotrofo.
[0076] “Substrato” se refere a uma fonte de carbono e/ou energia para o microrganismo da invenção. Tipicamente, o substrato é gasoso e compreende uma fonte de carbono Cl, por exemplo, CO, CO2 e/ou CH4. Preferivelmente, o substrato compreende uma fonte de carbono Cl de CO ou CO + CO2. O substrato pode ainda compreender outros componentes diferentes de carbono, tal como H2, N2 ou elétrons.
[0077] O termo “cossubstrato” se refere a uma substância que, embora não necessariamente sendo a fonte primária de energia e material para síntese de produto, pode ser utilizada para síntese de produto quando adicionada a outro substrato, tal como o substrato primário.
[0078] Embora o substrato seja tipicamente gasoso, o substrato também pode ser fornecido em formas alternativas. Por exemplo, o substrato pode ser dissolvido num líquido saturado com um gás contendo CO utilizando um gerador de dispersão de microbolhas. A título de exemplo adicional, o substrato pode ser adsorvido num suporte sólido.
[0079] O substrato e/ou a fonte de carbono Cl pode ser um gás residual obtido como um subproduto de um processo industrial ou de alguma outra fonte, tal como de fumaças de escapamento de automóveis ou gaseificação de biomassa. Em certas modalidades, o processo industrial é selecionado do grupo que consiste em emissões de gases de fermentação de carboidrato, fermentação de gás, emissões de gases de fabricação de cimento, fabricação de polpa e papel, fabricação de aço, refino de óleo e processos associados, produção petroquímica, produção de coque, digestão anaeróbica ou aeróbica, gás de síntese (derivado de fontes incluindo, mas não limitadas a, biomassa, correntes de resíduos líquidos, correntes de resíduos sólidos,
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26/42 correntes municipais, recursos fósseis incluindo gás natural, carvão e petróleo), extração de gás natural, extração de petróleo, processos metalúrgicos para produção e/ou refino de alumínio, cobre e/ou ligas de ferro, reservatórios geológicos e processos catalíticos (derivados das fontes de vapor incluindo, mas não se limitando a, reforma de metano de vapor, reforma de nafta de vapor, gaseificação de coque de petróleo, regeneração de catalisador - craqueamento de catalisador fluido, regeneração de catalisador-reforma de nafta e reforma de metano seco). Nestas modalidades, o substrato e/ou a fonte de carbono Cl podem ser capturados do processo industrial antes de serem emitidos para a atmosfera, utilizando qualquer método conveniente.
[0080] O microrganismo da invenção pode ser cultivado com a corrente de gás para produzir um ou mais produtos. Por exemplo, o microrganismo da invenção pode produzir ou pode ser engenheirado para produzir etanol (WO 2007/117157), acetato (WO 2007/117157), butanol (WO 2008/115080 e WO 2012/053905), butirato (WO 2008/115080), 2,3butanodiol (WO 2009/151342 e WO 2016/094334), lactato (WO 2011/112103), buteno (WO 2012/024522), butadieno (WO 2012/024522), metil etil cetona (2-butanona) (WO 2012/024522 e WO 2013/185123), etileno (WO 2012/026833), acetona (WO 2012/115527), isopropanol (WO 2012/115527), lipídeos (WO 2013/036147), 3-hidroxipropionato (3-HP) (WO 2013/180581), terpenos, incluindo isopreno (WO 2013/180584), ácidos graxos (WO 2013/191567), 2-butanol (WO 2013/185123), 1,2-propanodiol (WO 2014/036152), 1-propanol (WO 2014/0369152), produtos derivados de corismato (WO 2016/191625), 3-hidroxibutirato (WO 2017/066498) e 1,3butanodiol (WO 2017/0066498).
[0081] Um “produto nativo” é um produto produzido por um microrganismo geneticamente não modificado. Por exemplo, etanol, acetato e
2,3-butanodiol são produtos nativos de Clostridium autoethanogenum,
Clostridium ljungdahlii e Clostridium ragsdalei. Um “produto não nativo” é
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27/42 um produto que é produzido por um microrganismo geneticamente modificado, mas não é produzido por um microrganismo geneticamente não modificado do qual o microrganismo geneticamente modificado é derivado. [0082] “Seletividade” se refere à razão da produção de um produto alvo para a produção de todos os produtos de fermentação produzidos por um microrganismo. O microrganismo da invenção pode ser engenheirado para produzir produtos a uma certa seletividade ou a uma seletividade mínima. Numa modalidade, um produto de alvo representa pelo menos cerca de 5%, 10%, 15%, 20%, 30%, 50%, 75% ou 95% de todos os produtos de fermentação produzidos pelo microrganismo da invenção. Numa modalidade, o produto de alvo representa pelo menos 10% de todos os produtos de fermentação produzidos pelo microrganismo da invenção, de modo que o microrganismo da invenção tenha uma seletividade para o produto de alvo de pelo menos 10%. Em outra modalidade, o produto de alvo representa pelo menos 30% de todos os produtos de fermentação produzidos pelo microrganismo da invenção, de modo que o microrganismo da invenção tenha uma seletividade para o produto de alvo de pelo menos 30%.
[0083] O vaso de destilação a vácuo é capaz de recuperar um ou mais “produtos de fermentação de baixa ebulição”. Um “produto de fermentação de baixa ebulição” é um produto que é volátil. Estes produtos podem incluir, mas não estão limitados a, etanol, acetona, isopropanol, butanol, cetonas, metil etil cetona, 2-butanol, 1-propanol, acetato de metila, acetato de etila, butanona, 1,3-butadieno, isopreno e isobuteno.
[0084] A cultura é geralmente mantida em um meio de cultura aquoso que contém nutrientes, vitaminas e/ou minerais suficientes para permitir crescimento do microrganismo. Preferivelmente, o meio de cultura aquoso é um meio de crescimento microbiano anaeróbico, tal como um meio de crescimento microbiano anaeróbico mínimo. Meios adequados são bem conhecidos na técnica.
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28/42 [0085] A cultura/fermentação deve ser realizada, desejavelmente, sob condições apropriadas para produção do produto de alvo. Tipicamente, a cultura/fermentação é realizada sob condições anaeróbicas. Condições de reação a considerar incluem pressão (ou pressão parcial), temperatura, taxa de fluxo de gás, taxa de fluxo de líquido, pH do meio, potencial redox do meio, taxa de agitação (se utilizando um reator de tanque agitado contínuo), nível de inóculo, concentrações máximas de substrato de gás para assegurar que gás na fase líquida não se torne limitante e concentrações máximas de produto para evitar inibição de produto. Em particular, a taxa de introdução do substrato pode ser controlada para assegurar que a concentração de gás na fase líquida não se tome limitante, uma vez que os produtos podem ser consumidos pela cultura em condições limitadas de gás.
[0086] Operar um biorreator a pressões elevadas permite uma taxa elevada de transferência de massa de gás da fase gasosa para a fase líquida. Por conseguinte, é geralmente preferível realizar a cultura/fermentação a pressões mais altas que a pressão atmosférica. Além disso, uma vez que uma dada taxa de conversão de gás é, em parte, uma função do tempo de retenção de substrato e o tempo de retenção dita o volume necessário de um bioreator, o uso de sistemas pressurizados pode reduzir grandemente o volume do biorreator necessário e, consequentemente, o custo de capital do equipamento de cultura/fermentação. Isto, por sua vez, significa que o tempo de retenção, definido como o volume de líquido no biorreator dividido pela taxa de fluxo de gás de entrada, pode ser reduzido quando os biorreatores são mantidos em pressão elevada, em vez de pressão atmosférica. As condições de reação ótimas dependerão em parte do microrganismo particular usado. No entanto, em geral, é preferível operar a fermentação a uma pressão mais alta que a pressão atmosférica. Além disso, uma vez que uma dada taxa de conversão de gás é, em parte, uma função do tempo de retenção de substrato e a obtenção de um tempo de retenção desejado, por sua vez, dita o volume necessário de
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29/42 um bioreator, o uso de sistemas pressurizados pode reduzir grandemente o volume do biorreator necessário e, consequentemente, o custo de capital do equipamento de fermentação.
Descrição [0087] Verificou-se que destilação a vácuo recupera eficazmente produto de caldo de fermentação, embora assegurando a viabilidade dos microrganismos contidos no caldo de fermentação. O caldo de fermentação sendo alimentado ao vaso de destilação a vácuo é proveniente de um biorreator. Preferivelmente, o biorreator é usado para fermentação de um substrato gasoso contendo Cl. A fim de que o processo de fermentação opere continuamente, pelo menos uma porção dos microrganismos contidos no caldo deve permanecer viável. Estes microrganismos têm tolerâncias bastante específicas às concentrações de certos produtos. Adicionalmente, estes microrganismos têm tolerâncias bastante específicas à temperatura. Por exemplo, em pelo menos uma modalidade, os microrganismos têm uma temperatura de crescimento ótima de 37°C. Os inventores descobriram que utilizando destilação a vácuo as condições para viabilidade são capazes de serem controladas de tal maneira que a operação contínua do processo de fermentação seja possível.
[0088] O vaso de destilação a vácuo consiste em múltiplos elementos: (1) um revestimento externo definindo pelo menos uma entrada para receber caldo de fermentação, uma saída para transferir uma corrente enriquecida de produto e uma saída para transferir uma corrente esgotada de produto; (2) uma seção de separação localizada dentro do revestimento, a seção de separação sendo ligada acima por uma bandeja superior e abaixo por uma bandeja inferior, a seção de separação definindo um meio de separação para proporcionar uma pluralidade de estágios de destilação teóricos; e (3) um nível de líquido mantido no fundo do vaso de destilação a vácuo.
[0089] O vaso de destilação a vácuo é acoplado ao biorreator de modo
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[0090] Adicionalmente, os inventores identificaram que mantendo o tempo de residência, sendo definido como o tempo que o caldo de fermentação está dentro do vaso de destilação a vácuo, dentro de um certo período de tempo, a viabilidade dos microrganismos é assegurada. Os inventores identificaram que um tempo de residência entre 0,5 e 15 minutos permite que o caldo seja processado de forma eficaz, embora assegurando a viabilidade dos microrganismos. Em várias modalidades, o tempo de residência está entre 0,5 e 12 minutos, 0,5 e 9 minutos, 0,5 e 6 minutos, 0,5 e 3 minutos, 2 e 15 minutos, 2 e 12 minutos, 2 e 9 minutos, ou 2 e 6 minutos. Em pelo menos uma modalidade, o tempo de residência é inferior a 15 minutos, inferior a 12 minutos, inferior a 9 minutos, inferior a 6 minutos, inferior a 3 minutos, inferior a 2 minutos ou inferior a 1 minuto, para assegurar a viabilidade dos microrganismos.
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31/42 [0091] O vaso de destilação a vácuo processa o caldo de fermentação através do uso de redução de pressão, onde a pressão dentro do vaso de destilação a vácuo é mantida abaixo da atmosférica de modo a baixar a temperatura necessária para vaporizar o líquido no caldo de fermentação. A temperatura no vaso de destilação a vácuo pode ser dependente da pressão e concentração de etanol. Preferivelmente, o líquido sendo vaporizado é principalmente produto, tal como etanol. Preferivelmente, a pressão do vaso de destilação a vácuo é mantida entre 40 mbar(a) e 100 mbar(a) para assegurar a viabilidade dos microrganismos. Em pelo menos uma modalidade, o vaso de destilação a vácuo é mantido entre 40 mbar(a) e 80 mbar(a), entre 40 mbar(a) e 90 mbar(a) ou entre 45 mbar(a) a 90 mbar(a). A pressão cai tipicamente através do meio de separação, significando que a pressão no topo do vaso de destilação a vácuo é mais baixa em relação à pressão no fundo do vaso de destilação a vácuo. Preferivelmente, a queda de pressão através da altura do vaso de destilação a vácuo é inferior a 32 mbar. Em certos casos, a queda de pressão através da altura do vaso de destilação a vácuo é menor que 30 mbar, menor que 28 mbar, menor que 26 mbar, menor que 24 mbar, menor que 22 mbar, menor que 20 mbar ou menor que 18 mbar.
[0092] Isto resulta em um gradiente de temperatura dentro do vaso de destilação a vácuo, onde a temperatura aumenta através do comprimento do vaso, sendo mais baixa no topo do vaso de destilação a vácuo e mais alta no fundo do vaso de destilação a vácuo. Quando o caldo de fermentação flui para baixo do vaso de destilação a vácuo, o título do produto é reduzido, onde o título do produto é mais alto no topo do vaso de destilação a vácuo e mais baixo no fundo do vaso de destilação a vácuo.
[0093] O caldo de fermentação entra inicialmente no vaso de destilação a vácuo através de uma entrada no revestimento. A entrada para receber o caldo de fermentação está localizada acima da bandeja superior.
Quando o caldo de fermentação entra no vaso, uma porção do produto no
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32/42 caldo de fermentação é vaporizada formando uma corrente enriquecida de produto que sobe em direção ao topo do vaso, saindo através de uma saída no revestimento. A saída para transferir a corrente enriquecida de produto é elevada em relação à entrada para receber o caldo de fermentação. O caldo de fermentação restante atravessa a bandeja superior e atravessa o meio de separação. O meio de separação fornece uma pluralidade de estágios de destilação teóricos. Quando o caldo de fermentação atinge cada estágio de destilação teórico, produto adicional é vaporizado. O produto vaporizado se tomando parte da corrente enriquecida de produto, subindo em direção ao topo do vaso e saindo através de uma saída no revestimento. Depois de atravessar o meio de separação, o caldo de fermentação restante sai do vaso de destilação a vácuo através de uma saída no revestimento. O caldo de fermentação saindo do revestimento é a corrente esgotada de produto. A corrente esgotada de produto contém biomassa microbiana viável. A saída para transferir a corrente esgotada de produto é elevada em relação à bandeja inferior. A bandeja inferior é elevada em relação ao fundo do vaso de destilação a vácuo. O fundo do vso de destilação a vácuo contém um nível de líquido.
[0094] A fim de aumentar a eficácia do vaso de destilação a vácuo e fornecer o contato vapor-líquido necessário, uma corrente de vapor pode ser introduzida de um refervedor no vaso de destilação a vácuo através de uma entrada no revestimento. A entrada para receber a corrente de vapor está localizada subjacente à bandeja inferior. O refervedor utiliza uma porção do líquido do fundo do vaso de destilação a vácuo em combinação com energia para vaporizar o líquido e criar a corrente de vapor. O líquido do fundo do vaso de destilação a vácuo é transferido através de uma saída no revestimento do vaso de destilação a vácuo. Esta saída está localizada mais baixa que a entrada para receber a corrente de vapor. A corrente de vapor flui para cima através do meio de separação, absorve porções de produto e se toma parte da
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33/42 corrente enriquecida de produto. A corrente enriquecida de produto saindo através da saída para transferir a correnmte enriquecida de produto. Em uma ou mais modalidades, a corrente enriquecida de produto pode ser ainda processada adicionalmente a fim de aumentar a concentração do produto. [0095] O caldo de fermentação sendo passado para o vaso de destilação a vácuo pode conter proporções de gás. O gás no caldo de fermentação pode resultar em uma diminuição no desempenho do vaso de destilação a vácuo. Para evitar a diminuição de desempenho associada ao gás no caldo de fermentação, um vaso de desgaseificação pode ser utilizado. De preferência, o vaso de desgaseificação é um desgaseificador ciclônico. De preferência, o vaso de desgaseificação é operado a uma pressão entre 0,0 bar(g) e 1,0 bar(g). Em uma modalidade, o vaso de desgaseificação é operado a uma pressão entre 0,0 bar(g) e 0,5 bar(g). Preferivelmente, o vaso de desgaseificação remove substancialmente todo o gás do caldo de fermentação. Em modalidades particulares, o vaso de desgaseificação remove entre 0 e 100% do gás no caldo de fermentação. Em certos casos, o vaso de desgaseificação remove mais de 20%, mais de 40%, mais de 60% ou mais de 80% do gás do caldo de fermentação. O vaso de desgaseificação é operado de modo a separar pelo menos uma porção do gás do caldo de fermentação. Ao utilizar um desgaseificador ciclônico, o caldo de fermentação é girado, criando uma região de baixa pressão no centro do caldo de fermentação rotativo, fazendo com que o gás separe do caldo de fermentação. O caldo de fermentação com proporções reduzidas de gás é, então, enviado para o vaso de destilação a vácuo. O gás separado pode conter proporções de produto. Para recuperar produto do gás separado e evitar perda de produto, o gás separado pode ser enviado para um dispositivo e/ou processamento subsequente. Em pelo menos uma modalidade, o gás separado pode ser passado para o biorreator.
[0096] Preferivelmente, a corrente esgotada de produto saindo do
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34/42 vaso de destilação a vácuo é passada de volta para o biorreator. A corrente esgotada de produto contém biomassa microbiana viável a qual, se repassada ao biorreator, aumentará a eficiência do processo de fermentação. No entanto, esta corrente esgotada de produto pode ter uma temperatura mais alta que a ótima. Portanto, antes de ser repassada para o biorreator, a corrente esgotada de produto pode sofrer resfriamento. O resfriamento da corrente esgotada de produto pode ser completado por meio de um meio de resfriamento. O resfriamento é conduzido sob condições para reduzir a temperatura da corrente esgotada de produto, de modo que a temperatura da corrente esgotada de produto esteja dentro de uma faixa ótima. Ao reduzir a temperatura da corrente esgotada de produto antes de passar a corrente esgotada de produto para o biorreator, aquecimento desnecessário da cultura no biorreator pode ser evitado. Por exemplo, se a corrente esgotada de produto fosse fornecida ao biorreator a uma temperatura mais alta em relação ao caldo de fermentação dentro do biorreator, então, a reciclagem da corrente esgotada de produto poderia resultar num aumento de temperatura do caldo de fermentação dentro do biorreator. Se a temperatura do caldo de fermentação dentro do biorreator não for mantida dentro de uma faixa aceitável, adequóada para os microrganismos, então, a viabilidade dos microrganismos poderia diminuir. Assim, monitorar e controlar a temperatura da corrente esgotada de produto pode ser crítico para a capacidade de reciclar a corrente esgotada de produto.
[0097] A Figura 1 mostra um vaso de destilação a vácuo 100 para recuperar pelo menos um produto de um caldo de fermentação, o caldo de fermentação sendo fornecido de um biorreator. O vaso de destilação a vácuo 100 compreende um revestimento externo 113 definindo uma entrada 114 para receber caldo de fermentação, uma saída 115 para transferir uma corrente enriquecida de produto e uma saída 116 para transferir uma corrente esgotada de produto. O vaso de destilação a vácuo 100 também compreende uma seção
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35/42 de separação 109 localizada dentro do revestimento 113, a seção de separação 109 está ligada acima por uma bandeja superior 112 e abaixo por uma bandeja inferior 111.0 vaso de destilação a vácuo 100 é projetado de uma maneira a aumentar a recuperação de produto do caldo de fermentação. A saída 115 para transferir a corrente enriquecida de produto é elevada em relação à entrada 114 para receber o caldo de fermentação. A entrada 114 para receber o caldo de fermentação sendo elevada em relação à bandeja superior 112, a saída 116 para transferir a corrente esgotada de produto sendo elevada em relação à bandeja inferior 111.
[0098] O vaso de destilação a vácuo 100 é projetado de modo que o vaso de destilação a vácuo 100 possa processar o caldo de fermentação a uma dada taxa de alimentação. A taxa de alimentação é definida em termos de volume de caldo de fermentação no biorreator. Preferivelmente, o vaso de destilação a vácuo 100 é projetado de modo que a taxa de alimentação esteja entre 0,05 a 0,5.
[0099] O vaso de destilação a vácuo 100 é projetado de modo que o caldo de fermentação defina um tempo de residência. O tempo de residência é definido em termos da quantidade de tempo que o caldo de fermentação está dentro do vaso de destilação a vácuo 100. O caldo de fermentação é considerado estar dentro do vaso de destilação a vácuo 100 quando o caldo de fermentação entra através da entrada 114. O caldo de fermentação é considerado estar fora do vaso de destilação a vácuo 100 quando o caldo de fermentação sai através da saída 116. De preferência, o tempo de residência está entre 0,5 e 15 minutos. Em várias modalidades, o tempo de residência está entre 0,5 e 12 minutos, 0,5 e 9 minutos, 0,5 e 6 minutos, 0,5 e 3 minutos, 2 e 15 minutos, 2 e 12 minutos, 2 e 9 minutos, ou 2 e 6 minutos. Em pelo menos uma modalidade, o tempo de residência é inferior a 15 minutos, inferior a 12 minutos, inferior a 9 minutos, inferior a 6 minutos, inferior a 3 minutos, inferior a 2 minutos ou inferior a 1 minuto, para assegurar a
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36/42 viabilidade dos microrganismos.
[00100] O tempo de residência dado pode depender, pelo menos em parte, do tipo de meio de separação 109 dentro do vaso de destilação a vácuo 100. Em pelo menos uma modalidade, o meio de separação 109 é definido por uma série de bandejas de destilação. Preferivelmente, um meio de separação 109 é fornecido de modo que um número suficiente de estágios de destilação teóricos seja fornecido para recuperar produto. De preferência, o meio de separação 109 fornece múltiplos estágios teóricos de destilação. Em outras modalidades, o meio de separação 109 proporciona um número mínimo de estágios de destilação teóricos, por exemplo, mais de 3 estágios de destilação teóricos, mais de 4 estágios de destilação teóricos, mais de 5 estágios de destilação teóricos ou mais de 6 estágios de destilação teóricos.
[00101] O vaso de destilação a vácuo 100 é projetado de modo a recuperar eficazmente produto no caldo de fermentação e evitar acumulação de produto no biorreator. Preferivelmente, a corrente esgotada de produto tem proporções reduzidas de produto, de modo que a acumulação de produto seja efetivamente reduzida ou eliminada. Em pelo menos uma modalidade, a corrente esgotada de produto compreende menos de 0,2% em peso de produto. Em certas modalidades, a corrente esgotada de produto compreende menos de 1,0% em peso de produto. Em casos particulares, a corrente esgotada de produto compreende entre 0,1 e 1,0% em peso de produto. Em pelo menos uma modalidade, o produto sendo recuperado é etanol.
[00102] Para efetuar a transferência da corrente esgotada de produto, a saída 116 para transferir a corrente esgotada de produto pode ser conectada através de meios de tubulação 102 ao biorreator. A corrente esgotada de produto pode ter temperatura mais alta que a aceitável e, assim, pode requerer resfriamento antes de ser transferida para o biorreator. Para efetuar resfriamento, pode ser proporcionado um meio de resfriamento. O meio de resfriamento pode levar a corrente esgotada de produto até uma temperatura
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37/42 aceitável antes de a corrente esgotada de produto ser transferida para o biorreator.
[00103] Em alguns casos, o caldo de fermentação pode ter proporções de gás mais altas que as aceitáveis e, assim, pode requerer desgaseificação antes de ser transferido para o biorreator. Para efetuar desgaseificação, pode ser fornecido um vaso de desgaseificação 200. De preferência, o vaso de desgaseificação 200 é um desgaseificador ciclônico. O vaso de desgasificação 200 pode compreender uma entrada 201 para receber o caldo de fermentação. Esta entrada 201 pode ser conectada via meios de tubulação 702 ao biorreator a fim de transferir o caldo de fermentação do bioreator. Preferivelmente, o vaso de desgasificação 200 é operado de modo que pelo menos uma porção de gás possa ser removida do caldo de fermentação antes de o caldo de fermentação ser distribuído para o vaso de destilação a vácuo 100. O vaso de desgaseificação 200 é capaz de separar o gás do caldo de fermentação, de modo que o caldo de fermentação seja separado numa corrente de gás evolvida e num caldo de fermentação desgaseificado. A corrente de gás evolvida sai do vaso de desgaseificação 200 através da saída 205. A saída 205 pode ser conectada através de meios de tubulação 204 a um processo subsequente para recuperar produto da corrente evolvida. Em pelo menos uma modalidade, a corrente de gás evolvida é lavada com água para recuperar produto na corrente de gás evolvida. Adicionalmente, a saída 205 pode ser conectada ao biorreator através de meios de tubulação 204, em que o gás evolvido pode ser usado no processo de fermentação. O caldo de fermentação desgaseificado é passado através de uma saída 203 para o vaso de destilação a vácuo 300 através de meios de tubulação 202. Em pelo menos uma modalidade, o vaso de desgaseificação 200 é operado a uma pressão entre 0,0 bar(g) e 0,5 bar(g). Em modalidades não utilizando um vaso de desgasificação 200, o caldo de fermentação pode ser enviado diretamente do biorreator para a entrada 114 no vaso de destilação a vácuo 100 através de meios de
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38/42 tubulação 702.
[00104] O vaso de destilação a vácuo 100 é projetado de modo a assegurar a viabilidade dos microrganismos, embora proporcionando recuperação de produto. Preferivelmente, a viabilidade dos microrganismos na corrente esgotada de produto é maior que 85%. Em pelo menos uma modalidade, a viabilidade dos microrganismos na corrente esgotada de produto é substancialmente igual à biomassa microbiana viável no caldo de fermentação entrante.
[00105] O vaso de destilação a vácuo 100 pode proporcionar recuperação de produto através do uso de um refervedor 800. O refervedor 800 é fornecido de modo a dirigir uma corrente de vapor para o vaso de destilação a vácuo 100. Esta corrente de vapor é dirigida através de meios de tubulação 802 da saída 806 no refervedor para a entrada 117 no revestimento 113 do vaso de destilação a vácuo 100. A corrente de vapor entra no vaso de destilação a vácuo 100 e sobe através da placa inferior 111 e do meio de separação 108 contatando o produto no caldo de fermentação. O refervedor
800 pode criar a corrente de vapor através do uso de líquido 107 localizado no fundo do vaso de destilação a vácuo 100. De preferência, este líquido 107 é compreendido substancialmente de água e quantidades mínimas de biomassa microbiana. O líquido 107 pode ser passado através de meios de tubulação 106 de uma saída 118 no vaso de destilação a vácuo 100 para uma entrada
801 no refervedor 800. Em várias modalidades, o líquido 107 localizado no fundo do vaso de destilação a vácuo 100 pode ser derivado de uma série de fontes incluindo, mas não limitadas a, meios de resfriamento, condensado de vapor, uma unidade de cogeração e/ou resíduos de coluna de retificação.
[00106] O revestimento 113 do vaso de destilação a vácuo 100 pode compreender uma ou mais entradas adicionais 121, 119 e saída 120 para transferir líquido 107 através da tubulação 101, 103 e 105 para dentro e para fora do vaso de destilação a vácuo 100. Isto pode permitir que o conteúdo e a
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39/42 proporção do líquido 107 no vaso de destilação a vácuo 100 sejam controlados. Em certos casos, as tubulações 101, 103 e 105 podem ser conectadas a uma ou mais das fontes do líquido 107.
[00107] Adicionalmente, o vaso de destilação a vácuo 100 pode ser projetado de modo que o vaso de destilação a vácuo 100 seja separado em múltiplos compartimentos de um modo em que o caldo de fermentação de múltiplos biorreatores pode ser passado para o vaso de destilação a vácuo 100 sem misturar. Esta separação pode ser conseguida através de qualquer meio adequado para assegurar essa separação.
[00108] O vaso de destilação a vácuo pode conter uma ou mais bandejas adicionais 122 abaixo da bandeja inferior 111. A Figura 2 ilustra um vaso de destilação a vácuo 100 com bandejas adicionais 122 abaixo da bandeja inferior 111. Estas bandejas adicionais 122 proporcionam remoção adicional de produto. O vaso de destilação a vácuo 100 é projetado para transferir caldo de fermentação, contendo a biomassa microbiana viável, para o biorreator através da saída 116, que é colocada acima da bandeja inferior
111. O caldo de fermentação que passa através da bandeja inferior 111 pode conter quantidades adicionais, embora mínimas, de caldo de fermentação contendo a biomassa microbiana viável. O caldo de fermentação que passa através da bandeja inferior 111 não é passado para o bioreator. Este caldo de fermentação é, em vez disso, passado através de uma ou mais bandejas adicionais 122, onde produto adicional é recuperado do caldo de fermentação. Após passar através de uma ou mais bandejas adicionais 122, o caldo de fermentação mistura com o líquido 107 localizado no fundo do vaso de destilação a vácuo 100. Este líquido 107, incluindo porções de caldo de fermentação contendo biomassa microbiana, é, então, passado para o refervedor 800 para produzir a corrente de vapor.
[00109] As Figuras 3 e 4 ilustram a necessidade de um vaso de destilação a vácuo para remover produto do caldo de fermentação. A Figura 3
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40/42 mostra o perfil de metabólito de uma passagem de fermentação em batelada. A Figura 3 mostra que a concentração de biomassa e etanol aumenta exponencialmente durante a fase inicial da passagem de fermentação. Quando o etanol acumula, ultrapassando uma concentração em tomo de 30 g/L, a biomassa desacelera devido aos efeitos do etanol nos micróbios. Isto é ainda mostrado pela Figura 4, onde a absorção de CO e a produção de CO2 desacelera em tomo do mesmo tempo que a concentração de etanol atinge cerca de 30 g/L. Estes dados ilustram as necessidades do vaso de destilação a vácuo da presente invenção, onde as taxas de concentração de produto podem ser controladas até o ponto em que os efeitos negativos de acumulação de produto são mitigados e/ou reduzidos.
[00110] O vaso de destilação a vácuo é capaz de reciclar caldo de fermentação esgotado de produto para o biorreator. O vaso de destilação a vácuo é projetado para recuperar produtos, embora assegurando a viabilidade dos microrganismos de modo que, quando reciclados, os microrganismos possam fermentar o gás contendo Cl no biorreator para produzir produtos. As Figuras 5 e 6 ilustram a capacidade do vaso de destilação a vácuo assegurar a viabilidade dos microrganismos de múltiplas variações de projetos de biorreatores.
[00111] A Figura 5 mostra a viabilidade de microrganismos de um biorreator com uma certa configuração, onde o caldo de fermentação é reciclado do vaso de destilação a vácuo para o biorreator. A viabilidade dos microrganismos foi medida em três intervalos de tempo do biorreator (Biorreator 1) e do vaso de destilação a vácuo (retomo VD). Como é mostrado no gráfico, a viabilidade dos microrganismos no vaso de destilação a vácuo é substancialmente igual à viabilidade dos microrganismos no biorreator.
[00112] A Figura 6 mostra a viabilidade dos microrganismos de um biorreator com uma configuração diferente, onde o caldo de fermentação é
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41/42 reciclado do vaso de destilação a vácuo para o biorreator. A viabilidade dos microrganismos foi medida em três intervalos de tempo do biorreator (Biorreator 2) e do vaso de destilação a vácuo (retomo de VD). Como mostrado no gráfico, a viabilidade dos microrganismos no vaso de destilação a vácuo é substancialmente igual à viabilidade dos microrganismos no biorreator.
[00113] Todas as referências, incluindo publicações, pedidos de patentes e patentes, aqui citadas são incorporadas por meio deste por referência na mesma medida como se cada referência fosse individualmente e especificamente indicada para ser incorporada por referência e fosse estabelecids em sua totalidade aqui. A referência a qualquer técnica anterior neste relatório descritivo não é, e não deve ser, tomada como um reconhecimento de que essa técnica anterior faz parte do conhecimento geral comum no campo do esforço em qualquer país.
[00114] O uso dos termos “um” e “uma” e “o/a” e referentes similares no contexto de descrever a invenção (especialmente no contexto das seguintes reivindicações) deve ser interpretado para cobrir tanto o singular quanto o plural, a menos que de outro modo indicado aqui ou claramente contradito pelo contexto. Os termos “compreendendo”, “tendo”, “incluindo” e “contendo” serão interpretados como termos abertos (ou seja, significando “incluindo, mas não limitado a”), salvo indicação em contrário. A recitação de faixas de valores aqui é meramente destinada a servir como um método abreviado de se referir individualmente a cada valor separado dentro da faixa, a menos que indicado de outro modo aqui e cada valor separado é incorporado no relatório descritivo como se ele fosse individualmente recitado aqui. Todos os métodos aqui descritos podem ser realizados em qualquer ordem adequada, a menos que indicado de outro modo aqui ou de outra forma claramente contradito pelo contexto. O uso de todos e quaisquer exemplos, ou linguagem exemplar (por exemplo, “tal como”) aqui fornecida,
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42/42 se destina apenas a iluminar melhor a invenção e não representa uma limitação no escopo da invenção, a menos que reivindicado de outro modo.
Nenhuma linguagem no relatório descritivo deve ser interpretada como indicando qualquer elemento não reivindicado como essencial para a prática da invenção.
[00115] Modalidades preferidas desta invenção são aqui descritas. Variações dessas modalidades preferidas podem se tomar evidentes para os versados na técnica mediante leitura da descrição anterior. Os inventores esperam que especialistas experimentados empreguem tais variações conforme apropriado e os inventores pretendem que a invenção seja praticada de outro modo que não especificamente descrito aqui. Consequentemente, esta invenção inclui todas as modificações e equivalentes da matéria recitada nas reivindicações anexas, conforme permitido pela lei aplicável. Além disso, qualquer combinação dos elementos acima descritos em todas as variações possíveis dos mesmos é abrangida pela invenção, a menos que seja aqui indicado de outra forma ou claramente contradito pelo contexto.
Claims (26)
- REIVINDICAÇÕES1. Vaso de destilação a vácuo para recuperar pelo menos um produto de um caldo de fermentação, o caldo de fermentação sendo distribuído de um biorreator, o vaso de destilação a vácuo caracterizado pelo fato de que compreende:a. um revestimento externo, definindo uma entrada para receber o caldo de fermentação, o caldo de fermentação compreendendo biomassa microbiana viável e pelo menos um produto, uma saída para transferir uma corrente enriquecida de produto e uma saída para transferir uma corrente esgotada de produto, a corrente esgotada de produto compreendendo biomassa microbiana viável, a corrente esgotada de produto sendo transferida para o biorreator;b. uma seção de separação localizada dentro do revestimento, a seção de separação sendo ligada acima por uma bandeja superior e abaixo por uma bandeja inferior, a seção de separação definindo um meio de separação para proporcionar uma pluralidade de estágios de destilação teóricos;em que a saída para transferir a corrente enriquecida de produto é elevada em relação à entrada para receber o caldo de fermentação, a entrada para receber o caldo de fermentação sendo elevada em relação à bandeja superior e a saída para transferir a corrente esgotada de produto sendo elevada em relação à bandeja inferior.
- 2. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o biorreator define um volume de caldo de fermentação, o caldo de fermentação sendo distribuído para o vaso de destilação a vácuo a uma taxa de alimentação, a taxa de alimentação definida como o volume do caldo de fermentação por hora, a taxa de alimentação estando entre 0,05 e 0,5.
- 3. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o caldo de fermentação define um tempo dePetição 870190087790, de 06/09/2019, pág. 56/672/5 residência, o tempo de residência sendo definido como uma quantidade de tempo que o caldo de fermentação está dentro do vaso de destilação a vácuo, o tempo de residência estando entre 0,5 e 15 minutos.
- 4. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a saída para transferir a corrente esgotada de produto é conectada por meios de tubulação ao biorreator para transferir a corrente esgotada de produto para o biorreator, o biorreator sendo operado sob condições para fermentação de um gás contendo Cl de um processo industrial.
- 5. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio de separação é definido por uma série de bandejas de destilação.
- 6. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio de separação proporciona mais de 3 estágios de destilação teóricos.
- 7. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a biomassa microbiana viável na corrente esgotada de produto tem uma viabilidade maior qie 85 por cento.
- 8. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a biomassa microbiana viável na corrente esgotada de produto é substancialmente igual à biomassa microbiana viável no caldo de fermentação.
- 9. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a corrente esgotada de produto compreende menos de 0,2% em peso de produto.
- 10. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a corrente enriquecida de produto compreende etanol, acetona, isopropanol ou misturas dos mesmos.
- 11. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicaçãoPetição 870190087790, de 06/09/2019, pág. 57/673/51, caracterizado pelo fato de que o vaso de destilação a vácuo define uma queda de pressão através de uma altura do vaso de destilação a vácuo, a queda de pressão sendo menor que 32 mbar.
- 12. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o vaso de destilação a vácuo é operado a uma pressão entre 40 mbar(a) e 100 mbar(a).
- 13. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o vaso de destilação a vácuo é operado a uma temperatura entre 35°C e 50°C.
- 14. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a corrente esgotada de produto é passada para um meio de resfriamento para reduzir a temperatura da corrente esgotada de produto antes de a corrente esgotada de produto ser transferida para o biorreator.
- 15. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a temperatura da corrente esgotada de produto está entre 35°C e 40°C.
- 16. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a entrada para receber o caldo de fermentação é conectada por meios de tubulação a um vaso de desgaseificação, o vaso de desgaseificação operado sob condições para remover pelo menos uma porção de um gás do caldo de fermentação antes de o caldo de fermentação ser distribuído para o vaso de destilação a vácuo.
- 17. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o vaso de desgaseificação é operado a uma pressão entre 0,0 bar(g) e 0,5 bar(g).
- 18. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o revestimento externo define ainda uma entrada para receber uma corrente de vapor de um refervedor e uma saídaPetição 870190087790, de 06/09/2019, pág. 58/674/5 para transferir uma corrente de líquido para o refervedor, a entrada para receber a corrente de vapor sendo subjacente em relação à bandeja inferior e a saída para transferir a corrente de líquido sendo localizada mais baixa em relação à entrada para receber a corrente de vapor.
- 19. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que a corrente de líquido é compreendida substancialmente de água e quantidades mínimas de biomassa microbiana.
- 20. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o vaso de destilação a vácuo é separado em múltiplos compartimentos de um modo em que o caldo de fermentação de múltiplos biorreatores possa ser passado para o vaso de destilação a vácuo sem misturar.
- 21. Vaso de destilação a vácuo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o processo industrial é selecionado do grupo compreendendo: fermentação de carboidrato, fermentação de gás, fabricação de cimento, fabricação de polpa e papel, fabricação de aço, refino de petróleo e processos associados, produção petroquímica, produção de coque, digestão aeróbica ou aeróbica, gás de síntese, extração de gás natural, extração de óleo, processos metalúrgicos para produção e/ou refino de alumínio, cobre e/ou ligas de ferro, reservatórios geológicos e processos catalíticos.
- 22. Método para remover pelo menos um produto de um caldo de fermentação com um vaso de destilação a vácuo, o método caracterizado pelo fato de que compreende:a. passar um caldo de fermentação compreendendo biomassa microbiana viável e pelo menos um produto de um biorreator para um vaso de destilação a vácuo;b. vaporizar parcialmente o caldo de fermentação para produzir uma corrente enriquecida de produto e uma corrente esgotada de produto, a corrente esgotada de produto compreendendo biomassa microbianaPetição 870190087790, de 06/09/2019, pág. 59/675/5 viável; ec. passar a corrente esgotada de produto de volta para o biorreator.
- 23. Método de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente desgaseificar o caldo de fermentação utilizando um vaso de desgaseificação, para produzir um caldo de fermentação desgaseificado e uma corrente de gás evolvida, antes de passar o caldo de fermentação para o vaso de destilação a vácuo, o caldo de fermentação desgaseificado sendo parcialmente vaporizado.
- 24. Método de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que a corrente de gás evoluída é lavada com água para recuperar pelo menos um produto.
- 25. Método de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que o vaso de destilação a vácuoi compreende uma seção de separação localizada dentro de um revestimento, a seção de separação sendo ligada acima por uma bandeja superior e abaixo por uma bandeja inferior, a seção de separação definindo meio de separação para proporcionar uma pluralidade de estágios de destilação teóricos
- 26. Método de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que o bioreator é operado sob condições para fermentação de um gás contendo Cl de um processo industrial.
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