BR112019024244A2 - Processos de fermentação de metano de alta produtividade. - Google Patents

Abstract

são providos processos para aumentar a produtividade de fermentadores durante a conversão metabólica de gases contendo metano a produtos contendo polihidroxialcanoato, cujos produtos podem ser usados para fazer, por exemplo, artigos poliméricos de alimentação animal ou biodegradáveis. os processos envolvem um ou ambos entre atenuar o calor gerado para desenvolver uma população de microorganismos e remover o calor durante a fermentação por remoção de dióxido de carbono.

Description

RELATÓRIO DESCRITIVO

Pedido de Patente de Invenção para “PROCESSOS DE FERMENTAÇÃO DE METANO DE ALTA PRODUTIVIDADE”

[001] Este pedido reivindica prioridade para o pedido Provisório US 62/603.181 depositado em 19 de maio de 2017.

Campo da invenção

[002] Esta invenção refere-se a processos de alta produtividade para a fermentação de metano por metanotrofos.

Fundamentos da Invenção

[003] A fermentação de metano por metanotrofo é bem conhecida. Existem propostas para o crescimento de microrganismos em gás contendo metano para produzir polihidroxialcanoatos (PHA) ou para produzir proteína com um teor de PHA Modulado, por exemplo, para uso como, ou como um componente de ração animal. O metano é prontamente disponível a partir de fontes fósseis, bem como fontes biológicas. Frequentemente, o preço de carbono a partir de fontes de metano é consideravelmente menos caro do que o carbono de outras fontes, tais como açúcares. A capacidade de converter metano em produtos úteis através de sua fermentação por metanotrofo oferece o potencial de vantagens econômicas. Adicionalmente, uma vez que as fontes de gases contendo metano podem ser fontes renováveis tais como biogás e gás de aterro, existem vantagens para a produção de produtos a partir de fontes rapidamente renováveis.

[004] Os polihidroxialcanoatos podem ser facilmente biodegradados e são essencialmente atóxicos. Assim, o PHA foi proposto como substituto para plásticos ambientalmente persistentes. Alguns estudos indicaram que a presença de PHA pode ter propriedades benéficas em ração de peixe. Adicionalmente, o PHA também pode ser um componente útil de, por exemplo, um grânulo de alimentação formulado e extrudado ou prensado

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[005] Produtos contendo polihidroxialcanoato foram feitos através de processos metabólicos utilizando cargas de alimentação de açúcar (incluindo açúcares em si e amidos, e materiais celulósicos que podem produzir açúcares através de atividade enzimática). As cargas de alimentação de açúcar são tipicamente significativamente mais caras do que gases contendo metano e assim a atenção tem sido direcionada ao metano como matériaprima. Existem desafios, no entanto, na produção de produtos contendo PHA a partir de gases contendo metano à medida que a solubilidade do metano em meio aquoso é baixa e calor elevado é gerado pelos metanotrofos durante o processo de bioconversão de metano. Os bioprocessos tradicionais para produzir PHA a partir de metano, assim, mantêm baixas densidades de metanotrofo no caldo aquoso, cujas densidades baixas, por sua Vez, proporcionam baixa produtividade de PHA por volume unitário de biorreator. Consequentemente, Os PHA 's comercialmente disponíveis têm sido significativamente mais caros do que os polímeros à base de petróleo convencionais e, portanto, não obtiveram aceitação comercial difundida.

[006] Em geral, os bioprocessos para a produção de produtos contendo PHA a partir de gases contendo metano compreendem as etapas de crescimento de uma população de metanotrofo (crescimento de células equilibradas) e, então, submetendo-se os metanotrofos às condições ambientais que não suportam o crescimento da população dos microorganismos, mas a produção de PHA pelos metanotrofos (crescimento de células desequilibradas). Onde PHA é o produto procurado, o PHA é subsequentemente colhido dos microorganismos. Tanto gás contendo metano como gás contendo oxigênio são supridos ao caldo aquoso contendo os mesmos metanotrofos para o crescimento da população de metanotrofos e sua produção de PHA.

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[007] Consequentemente, existe a necessidade de produzir produtos contendo PHA a partir de gases contendo metano com produtividades mais altas por volume unitário de biorreator.

[008] Vantajosamente, os processos preferidos alcançariam produtividades mais altas de uma maneira economicamente atrativa.

Sumário da Invenção

[009] Por esta invenção são providos bioprocessos para a produção de produtos contendo PHA a partir de gases contendo metano com altas produtividades. De acordo com esta invenção, pode-se conseguir uma alta densidade de metanotrofo por unidade de volume do biorreator sem custos de resfriamento indevidos associados com a natureza exotérmica substancial da bioconversão do metano. Os processos desta invenção facilitam taxas de transferência de massa elevadas desejáveis de metano da fase gasosa para o caldo ou meio aquoso. Estas altas taxas de transferência de massa suportam altas densidades de metanotrofos. Entretanto, altas taxas de transferência de massa e altas densidades de metanotrofos resultam em maior geração de calor e maior produção de dióxido de carbono. Os processos desta invenção integram a capacidade de obter altas taxas de transferência de metano com remoção de calor para manter o meio aquoso em temperaturas adequadas para o bioprocesso.

[010] Nos processos desta invenção, uma porção do meio aquoso contendo dióxido de carbono gerado pelos metanotrofos é retirada da zona de reação e colocada em contato com um gás de extração para remover dióxido de carbono dissolvido do meio aquoso retirado (resultando em meio ou caldo pobre em dióxido de carbono). Pelo menos uma porção e, de preferência, essencialmente todo o meio pobre em dióxido de carbono é passada para a zona de reação onde se toma parte do meio aquoso na zona de reação. A remoção de dióxido de carbono do meio aquoso resulta em

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4/35 maiores taxas de transferência de massa de cada um de metano e oxigênio para o meio aquoso na zona de reação.

[011] Adicionalmente, durante o contato com o gás de extração, a evaporação de dióxido de carbono e água do meio aquoso retirado resulta no resfriamento do meio aquoso. A medida que a população de metanotrofo aumenta, aumenta também a geração de dióxido de carbono. Consequentemente, o calor removido através do resfriamento por evaporação devido à vaporização de dióxido de carbono acompanha um pouco o crescimento de população dos metanotrofos. A extensão de remoção de calor devido à vaporização de água, naturalmente, se refere à umidade relativa do gás de extração. Uma vez que água é também formada durante a oxidação metabólica de metano em dióxido de carbono, a vaporização de água pode ser benéfica do ponto de vista de manutenção de um volume constante de meio aquoso durante o processo.

[012] Para os propósitos aqui, o termo substrato limitante significa o composto de metano ou oxigênio que é o parâmetro mais limitante para transferência de massa adequada para crescimento de células balanceados e/ou crescimento de células desequilibradas em qualquer dado tempo no processo. Deve ser entendido que durante uma operação, é possível que um substrato seja limitante por um período de tempo e, então, um outro substrato a ser limitativo. Na maioria das operações, a taxa de transferência de massa de metano é limitante do crescimento de células equilibradas e crescimento de células desequilibradas em altas densidades de metanotrofo. Entretanto, esta invenção contempla modos de operações onde a transferência de massa de oxigênio é o parâmetro limitante. Por exemplo, conforme será discutido em maiores detalhes mais adiante, um ou mais de metanol, ácido fórmico ou sal solúvel em água do mesmo podem ser adicionados ao meio aquoso, em cujo caso a transferência de massa de oxigênio pode tomar-se o substrato limitante.

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[013] Um aspecto amplo desta invenção refere-se a processos de alta produtividade para a bioconversão de metano em produto contendo polihidroxialcanoato, por exemplo, PHA ou Proteína contendo teor de PHA Modulado, compreendendo (a) passar um gás contendo metano e um gás contendo oxigênio para uma zona de reação para contato sob condições de fermentação com um meio aquoso que tem uma população de metanotrofos no seu interior, o referido meio contendo nutrientes para o crescimento da população de metanotrofos para fornecer um meio aquoso rico em metanotrofos, o referido crescimento da população de metanotrofos também resultando na co-produção de dióxido de carbono, água e calor, e retirar gás não reagido da dita zona de reação; (b) passar um gás contendo metano e um gás contendo oxigênio para uma zona de reação para contato sob condições de fermentação com pelo menos uma porção do meio aquoso rico em metanotrofo, o referido meio tendo uma limitação, por exemplo, uma ausência substancial para criar condições limitadas de nutrientes que inibem o crescimento da população de metanotrofos, de pelo menos um nutriente requerido para o crescimento da população dos metanotrofos, para causar a produção de polihidroxialcanoato pelos metanotrofos e a co-produção de dióxido de carbono, água e calor, e a retirada de gás não reagido da dita zona de reação; e (c) separação do metanotrofos contendo polihidroxialcanoato do meio aquoso da etapa (b), em que pelo menos uma porção da duração de cada uma das etapas (a) e (b):

i. a taxa de passagem de pelo menos um gás de substrato limitante para a zona de reação em cada uma das etapas (a) e (b) é (A) em condições de difusão de substrato e, opcionalmente e preferivelmente, (B) é modulada para proporcionar uma concentração molar substancialmente estável de metano nos gases não reagidos;

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6/35 ii. em pelo menos uma das etapas (a) e (b) uma porção do meio aquoso é continuamente retirada da zona de reação e contatada com um gás de extração para remover dióxido de carbono e fornecer um meio aquoso pobre em dióxido de carbono; e iii. reciclagem de pelo menos uma porção do meio aquoso pobre em dióxido de carbono para a zona de reação de pelo menos uma das etapas (a) e(b).

[014] De preferência, a sub-etapa (ii) é conduzida pelo menos durante o tempo em que a população de metanotrofos é de pelo menos cerca de 8, de preferência pelo menos cerca de 10 gramas por litro (conforme medido por massa de células secas), e frequentemente pelo menos durante um período de tempo onde a população de metanotrofos reside dentro da faixa de cerca de 8 e 80, e de preferência entre cerca de 10 e 60, gramas por litro (conforme medido por massa de células secas).

[015] Em um outro aspecto amplo desta invenção, um ou ambos de metanol e ácido fórmico ou sal solúvel em água do mesmo (composto Cl oxigenado) é adicionado ao caldo aquoso durante um ou ambos o crescimento dos metanotrofos ou a produção de Fases PHA. O composto Cl oxigenado serve para proporcionar um substrato de carbono adicional aos metanotrofos e assim manter o crescimento de população dos metanotrofos e produção de PHA em uma taxa além daquela que pode ser suportado pela taxa de transferência de massa de metano da fase gasosa para o meio aquoso sob um dado conjunto de condições. Adicionalmente, a conversão metabólica do composto Cl oxigenado é menos exotérmica do que aquela do metano por átomo de carbono. Assim, este aspecto refere-se a processos de alta produtividade para a bioconversão de metano em produtos contendo poli-hidroxialcanoato compreendendo (a) passagem de um gás contendo metano e um gás contendo oxigênio a uma zona de reação para contato sob condições de fermentação com um meio aquoso que tem uma população de

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7/35 metanotrofos no seu interior, o dito meio contendo nutrientes para o crescimento da população dos metanotrofos para a o dito crescimento da população de microorganismos também resultar na co-produção de dióxido de carbono, água e calor, e retirar gás não reagido da dita zona de reação; (b) passar um gás contendo metano e um gás contendo oxigênio para uma zona de reação para contato sob condições de fermentação com pelo menos uma porção do meio aquoso rico em metanotrofo, o referido meio contendo uma ausência de pelo menos um nutriente requerido para o crescimento da população dos metanotrofos para causar a produção de polihidroxialcanoato e a co-produção de dióxido de carbono, água e calor, e retirada de gás não reagido da dita zona de reação; e (c) separar os metanotrofos contendo polihidroxialcanoato do meio aquoso da etapa (b), em que um composto Cl oxigenado de pelo menos um dentre metanol e ácido fórmico ou sal solúvel em água do mesmo é fornecido ao meio aquoso em pelo menos uma das etapas (a) e (b). De preferência, o composto Cl oxigenado é fornecido pelo menos sob condições limitadas por difusão de metano.

[016] Ainda um outro aspecto amplo desta invenção refere-se a processos de alta produtividade para a bioconversão de metano em produto contendo polihidroxialcanoato compreendendo (a) passar um gás contendo metano e um gás contendo oxigênio a uma zona de reação para contato sob condições de fermentação com um meio aquoso tendo uma população de metanotrofos no seu interior, o referido meio contendo nutrientes para o crescimento da população do metanotrofo para fornecer um meio aquoso rico em metanotrofo, o referido crescimento da população de metanotrofos também resulta na co-produção de dióxido de carbono, água e calor, e retirar gás não reagido da dita zona de reação; (b) passar um gás contendo metano e um gás contendo oxigênio para uma zona de reação para contato sob condições de fermentação com pelo menos uma porção do meio aquoso rico em metanotrofo, o referido meio contendo uma ausência de pelo menos um

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8/35 nutriente necessário para o crescimento da população dos metanotrofos, para causar a produção de polihidroxialcanoato e similares co-produção de dióxido de carbono, água e calor, e a retirada de gás não reagido da dita zona de reação; e (c) separar o polihidroxialcanoato contendo metanotrofo do meio aquoso da etapa (b), em que pelo menos uma porção da duração de cada uma das etapas (a) e (b):

i. a taxa de passagem de pelo menos um gás de substrato limitante para a zona de reação em cada uma das etapas (a) e (b) é (A) em condições de difusão de substrato e, opcionalmente e preferivelmente, (B) é modulada para proporcionar uma concentração molar substancialmente estável de metano nos gases não reagidos;

ii. em pelo menos uma das etapas (a) e (b) uma porção do meio aquoso é continuamente retirada da zona de reação e contatada com uma membrana semipermeável para remover dióxido de carbono e fornecer um meio aquoso pobre em dióxido de carbono; e iii. reciclagem de pelo menos uma porção do meio aquoso pobre em dióxido de carbono para a zona de reação de pelo menos uma das etapas (a) e (b).

[017] A membrana semipermeável usada para remover dióxido de carbono do meio aquoso para pelo menos uma das etapas (a) e (b) é preferivelmente uma desgaseificação, ou pervaporação, membrana permeável a dióxido de carbono e, mais preferivelmente, a membrana também é permeável a água. A membrana, que pode ser orgânica ou inorgânica, serve como uma barreira entre a fase líquida e o permeado de fase vapor. A força motriz para a permeação de dióxido de carbono e água é geralmente caracterizada como diferencial em pressão parcial. O diferencial de pressão parcial pode ser pelo menos em parte mantido por um diferencial de pressão absoluto através da membrana, por exemplo, o lado de permeado

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9/35 que está sob vácuo, e/ou um gás de arraste no lado de permeado da membrana. O gás de arraste pode ser do mesmo tipo usado para extração. A evaporação do permeado, que é dióxido de carbono e usualmente água, ocorre no lado de permeado da membrana e proporciona arrefecimento pelo calor latente de vaporização.

Breve Descrição dos Desenhos

[018] A figura 1 é uma representação esquemática de um aparelho útil em processos da presente invenção

Discussão detalhada

[019] Todas as patentes, pedidos de patente publicados e artigos referidos nesta descrição detalhada são aqui incorporados por referência em suas totalidades.

[020] Conforme aqui utilizado, os termos a seguir têm os significados apresentados a seguir, a menos que de outra forma declarado ou claro a partir do contexto de seu uso.

[021] O uso do termo um é destinado a incluir um ou mais dos elementos descritos. As listas de elementos exemplares destinam-se a incluir combinações de um ou mais dos elementos descritos. O termo pode, para uso na presente invenção, significa que o uso do elemento é opcional e não se destina a proporcionar qualquer implicação com relação à operabilidade.

[022] Biogás significa um gás produzido a partir de uma fonte renovável de carbono e, de preferência, contendo pelo menos cerca de 20 em percentagem molar de dióxido de carbono. Gás derivado anaerobicamente significa biogás produzido pela digestão anaeróbica ou fermentação de matéria orgânica na ausência de oxigênio e contém principalmente metano e dióxido de carbono. O gás digestor anaeróbico tem uma composição típica entre cerca de 25 e 50 por cento em volume de dióxido de carbono e cerca

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10/35 de 40 e 70 por cento em volume de metano com pequenas quantidades de hidrogênio, sulfeto de hidrogênio, amônia e nitrogênio.

[023] Intermitentemente significa de tempos em tempos e pode estar em intervalos regulares ou irregulares.

[024] O gás de aterro tem a composição típica entre cerca de 25 e 60 por cento em volume de dióxido de carbono e cerca de 35 a 70 por cento em volume de metano com pequenas quantidades de monóxido de carbono, hidrogênio, sulfeto de hidrogênio, oxigênio e nitrogênio.

[025] A limitação das condições de nutrientes ou das condições limitadas de nutrientes significa que um ou mais nutrientes ou micronutrientes requeridos para o crescimento de uma população de microorganismos estão ausentes na medida em que há uma falta de pelo menos um nutriente necessário para o crescimento da população dos metanotrofos que inibem o crescimento da população de metanotrofos em uma zona de reação e aumenta os níveis de compostos de poliidroxialcanoato nos metanotrofos em relação a uma zona de reação que recebe pelo menos um nutriente em uma quantidade adequada conforme necessário para o crescimento. Substancialmente ausente com relação às condições de nutrientes limitadoras significa que um ou mais nutrientes requeridos para o crescimento não estão presentes em quantidades residuais ou residuais ou como uma impureza em outro componente introduzido no caldo.

[026] Um metanotrofo é um procarioto que metaboliza o metano como uma fonte de carbono e energia e pode ser do tipo selvagem ou geneticamente engenheirado. O termo metanotrofo destina-se a incluir microrganismos geneticamente modificados que podem não ser um metanotrofo na ausência da modificação genética.

[027] As microbolhas são bolhas que têm um diâmetro de 500 microns ou menos

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[028] Gás Natural significa uma mistura combustível de hidrocarbonetos gasosos de rochas sedimentares usualmente contendo mais de 75% de metano com menores quantidades de 2-4 átomos de carbono ou de leitos de carvão onde o metano está frequentemente presente com nitrogênio. O gás Natural pode conter outros componentes tais como, sem limitação, dióxido de carbono, sulfeto de hidrogênio, vapor de água e nitrogênio.

[029] Nutrientes e micronutrientes são alimentos ou qualquer substância de nutrição assimilada por um microorganismo e requerida para crescimento, reparo e metabolismo normal. Micronutrientes são nutrientes requeridos em pequenas quantidades tais como vitaminas e minerais em comparação com, por exemplo, fontes de carbono, nitrogênio e fósforo.

[030] Polihidroxialcanoatos podem ser caracterizados por unidades repetidas da fórmula -[OC (R) H-(CH2) M-C (0)] n onde R é hidrogênio ou alquila inferior de 1 a 6, preferivelmente 1 a 4 carbonos; men são números inteiros e m é 1 ou 2; e um peso molecular (média em peso) de cerca de 10.000 a cerca de 5 milhões ou mais Daltons. Exemplos de polihidroxialcanoatos incluem, mas não estão limitados a, polihidroxibutirato e polihidroxivalerato.

[031] Produto contendo polihidroxialcanoato refere-se a viável ou não viável metanotrofo ou resíduo de células metanotróficas que internamente e/ou externamente contêm polihidroxialcanoato metabolicamente produzidos pelo metanotrofo.

[032] População de microrganismos refere-se ao número de microorganismos em um dado volume e incluem culturas substancialmente puras e culturas mistas.

[033] Proteínas são macromoléculas contendo uma ou mais cadeias longas de resíduos de aminoácidos, e incluem, mas não são limitadas a,

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12/35 peptídeos, oligopeptídeos e polipeptídeos, e podem conter enxofre além de carbono, oxigênio nitrogênio e átomos de carbono.

[034] Proteínas de célula simples são microorganismos comestíveis, unicelulares.

[035] A uniformidade substancial na fase líquida significa que a composição da fase líquida é substancialmente a mesma por todo o biorreator. Usualmente a concentração de um componente está dentro de cerca de 5 por cento de sua concentração média em uma fase líquida uniforme, isto é, se a concentração média de um componente for de 55,3 por cento molar, então uma uniformidade substancial significaria que o componente pode, por exemplo, variar entre cerca de 52,5 e 58,0 por cento molar.

[036] Não uniformidade substancial na fase gasosa significa que a massa (ambas nas bolhas de gás e gases dissolvidos) de pelo menos um componente fornecido pelo substrato de gás muda em pelo menos 50 por cento em massa entre o ponto de entrada do gás em um biorreator e o ponto em que o gás emerge do caldo.

[037] As condições de difusão do substrato significa que para condições de crescimento de células equilibradas (etapa (a)), a taxa de transferência de massa tanto de metano como de oxigênio não é por si só, afetando materialmente a taxa de crescimento da população de metanotrofo; e para condições de crescimento de células desequilibradas (etapa (b)), a taxa de transferência de massa tanto de metano como de oxigênio não é por si só, afetando materialmente a população de metanotrofo. O termo materialmente significa que o efeito adverso de (1) condições de crescimento de células equilibradas é que a população de metanotrofos continua a crescer, e por (2) condições de crescimento celular desequilibradas é que a transferência de massa tanto de metano como de

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13/35 oxigênio é suficiente para pelo menos manter a população de metanotrofos, isto é, a população de metanotrofos não diminui em mais de 20, de preferência de não mais do que 10 por cento em massa. Em alguns casos, durante condições de crescimento de células equilibradas, a população de metanotrofos continua a crescer em menos de 20, de preferência inferior a 10 por cento em massa da taxa de crescimento exponencial projetada para a dada densidade de células.

[038] As condições limitadoras de difusão do substrato significam que a taxa de difusão de pelo menos um dentre metano e oxigênio ao caldo contendo os metanotrofos é outra que em condições de difusão do substrato. Deve ser entendido que as condições de difusão do substrato e as condições limitadoras de difusão do substrato são afetadas pelas forças de acionamento para a transferência de massa bem como restrições físicas tais como o tamanho da bolha e a duração da bolha no caldo.

[039] Todas as referências à massa de células são calculadas com base na massa seca das células. A massa seca é determinada por filtração dos microorganismos do caldo, seguido por lavagens com água deionizada, e secagem a uma temperatura de cerca de 103 a 105° C em um forno e arrefecimento num des secador. A secagem e resfriamento em um des secador devem ser repetidos para uma dada amostra até que a massa da amostra permaneça constante.

[040] As referências a ácidos orgânicos aqui devem ser consideradas como incluindo sais e ésteres correspondentes.

[041] Polihidroxialcanoatos são produzidos por metanotrofos para armazenamento de energia. Como é bem conhecido na técnica, a taxa de produção de PHA aumenta quando o metanotrofo é colocado sob tensão. A tensão pode ser induzida através do uso de condições de nutrientes limitantes, mas algum oxigênio e metano ou composto Cl oxigenado ainda

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14/35 necessita ser fornecido para manter os metanotrofos. Os processos desta invenção são amplamente aplicáveis a uma ampla gama de metanotrofos que são capazes de produzir PHA. Como apresentado na definição, os metanotrofos incluem microorganismos geneticamente modificados que são capazes de consumir metano embora não tradicionalmente caracterizados como um metanotrofos.

[042] Os metanotrofos podem ser obtidos a partir de uma ampla variedade de fontes. Os metanotrofos são encontrados em ambientes onde tanto oxigênio quanto metano estão presentes, frequentemente na interface entre zonas aeróbicas e anaeróbicas. Elas São comuns em arrozais, pântanos, sedimentos superficiais em lagoas e lagos, lodo ativado e pastagens e solos florestais decíduos, incluindo ambientes de água doce, salobra e salina, desertos, aterros, superfícies de minas de carvão e oceanos. Fontes preferíveis incluem aqueles ambientes sujeitos a estresse periódico, tais como limitação de carbono, nutriente ou oxigênio. O uso de culturas bacterianas mistas toma o processo menos dispendioso em comparação com processos que utilizam culturas puras por eliminação da necessidade de manutenção de culturas especiais. No contexto da presente descrição, o termo culturas mistas é definido como incluindo comunidades bacterianas contendo uma variedade de culturas ou espécies distintas, independente de se as espécies são bem definidas. O termo culturas mistas também inclui comunidades de enriquecimento. Estas são comunidades de organismos submetidos a pressões seletivas favoráveis para o crescimento de organismos que afetam positivamente a produção de PHA e desfavoráveis para o crescimento de organismos que afetam negativamente a produção de PHA. As técnicas de seleção podem ser usadas para enriquecer a população de metanotrofos em cultura mista para a obtenção do PHA procurado

[043] Exemplos de metanotrofos incluem, mas não estão limitados a: Metilosanus, Metilocystens, Metilocella, Metilocapsa, Metiloferula,

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Metiliomonas, Metilosil-Ter, Metilococcus, Metilomobactéria, Metilosphina, Metilocaldoum, Metiloarcina, Metilothermus, Metilohalobius, Metilomonas, Metilosoma, Metilomarona, metilovéculo, metiloacilium, creontrix E clonorix. Diferentes metanotrofos diferirão em quão rapidamente PHA é acumulado, e diferentes metanotrofos irão provavelmente produzir PHA com diferentes polímeros ou distribuições de pesos moleculares. Assim, a seleção dos metanotrofos é tipicamente dirigida para o tratamento PHA particular procurado. Veja, por exemplo, a patente US 8.030.021, aqui incorporada por referência em sua totalidade.

[044] Os metanotrofos contêm proteínas e são geralmente comestíveis, especialmente após desnaturação, e assim são adequados como fontes de proteína de célula única. As proteínas incluídas nos metanotrofos incluem, mas não estão limitadas a:

Proteína	Faixa, porcentagem em massa de metanotrofo seco	Faixa frequente,. porcentagem em massa de metanotrofo seco
Aiamna	i a 10	2 a 7
Argànina	i a 5	2 a 3
Ácido Aspártico	2 a iO	3 a 7
Ácido Gutâmico	3 a 10	3 -s i-;
Glicína	ia 7	2 a ?
HisSdma	0.3 a 3	0.3 a 2
isoleucina	Í a 5	1 a 4
Leucina	2 a W	.3 a 7
Lisina	La 5	2 a 5
Metionma	04)1 a i	0.05 a 0..3
Fenilalanina	i a .5	7 à 5
Frolma	Ϊ a 3	2 a $
Serina	Ia 5	1 a 4
Treomma	1 aP	] a 4
Tirosina	0.5 a 5	1 a 3
Valina	1 a 7	5

[045] A proteína frequentemente constitui cerca de 30 a 80 por cento em massa da célula seca com o restante sendo gordura (frequentemente entre

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16/35 cerca de 2 e 15, por exemplo, 3 e 12, por cento em massa), PHA (frequentemente entre cerca de 5 a 50 por cento em massa para alimentação animal e cerca de 10 a 50 por cento em massa onde PHA é o produto final procurado) e outros componentes (entre cerca de 5 e 20 por cento em massa). Embora em alguns casos uma célula possa expressar proteína, para propósitos práticos, a proteína está contida nas células e/ou na superfície das células. Assim, o crescimento da população dos metanotrofos é um pouco proporcional à taxa de produção de proteína.

[046] Os processos desta invenção são também aplicáveis a uma ampla variedade de gases contendo metano incluindo, mas sem limitações, gás natural, gás metano a partir de carvão e biogás (incluindo, mas não limitado a, gás de digestor anaeróbico e gás de aterro), gás residual de outros processos, por exemplo, um gás residual derivado diretamente ou indiretamente de outro processo de fermentação, e misturas dos mesmos. Tipicamente, a concentração de metano no gás contendo metano alimentado na zona de reação é de pelo menos cerca de 10 por cento em mol, e frequentemente está na faixa de cerca de 15 a 99 a essencialmente 100 por cento em mol. O gás contendo metano pode conter outros componentes tais como, mas não de limitação, alcanos superiores, nitrogênio, dióxido de carbono, sulfeto de hidrogênio, siloxanos e vapor de água. Qualquer componente no gás contendo metano que pode ser tóxico para ou prejudicar o desempenho da presente invenção os metanotrofos são, de preferência, removidos ou reduzidos em concentração em níveis aceitáveis para os metanotrofos.

[047] O gás contendo metano e um gás contendo oxigênio são alimentados a um meio aquoso (caldo) contendo metanotrofos. De preferência, o gás contendo metano e o gás contendo oxigênio são introduzidos no biorreator na forma de microbolhas. Muitas vezes, as microbolhas têm diâmetros na faixa de 0,01 a 0,5, de preferência de 0,02 a

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0,3 milímetro. De preferência, o gás contendo metano e o gás contendo oxigênio são injetados separadamente no caldo utilizando um fluido motriz. Variações na taxa de fluxo de líquido motriz podem ser usadas para modular o tamanho de microbolhas e assim modularem a taxa de transferência de metano e oxigênio para o caldo. Se desejado, agentes ativos de superfície podem ser usados para ajudar a reduzir o tamanho das bolhas.

[048] A taxa na qual cada gás contendo metano e o gás contendo oxigênio é alimentada ao caldo pode variar amplamente, mas é tipicamente dependente de assegurar que quantidades adequadas de metano dissolvido e oxigênio estejam disponíveis para os metanotrofos. Durante o crescimento da população de metanotrofos, as demandas de metano e oxigênio por unidade de volume da zona de reação mudarão proporcionalmente para o aumento na densidade dos metanotrofos. Consequentemente, as taxas de fornecimento destes gases são, de preferência, moduladas com base na densidade de metanotrofo e taxa de crescimento de população e/ou acumulação de PHA desejada. Um custo significativo na produção de proteína de célula única tem antes desta invenção residido na separação, retirada de água e secagem dos metanotrofos para fornecer a ração animal. Similarmente, densidades mais altas de metanotrofos em caldos facilitam a recuperação de PHA a partir dos metanotrofos onde PHA purificado é o produto final procurado. Como pode ser prontamente apreciado, os processos da presente invenção permitem a obtenção de maiores densidades de metanotrofos no caldo devido à maior capacidade de transferir metano e oxigênio para o caldo aquoso e a capacidade de remover o calor do biorreator.

[049] Pelo ajuste da taxa de fornecimento de metano, a perda de metano nos gases não reagidos que passam do caldo pode ser minimizada. A taxa de fornecimento de gás contendo metano para a zona de reação pelo menos durante uma porção do processo é tal que os gases não reagidos

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18/35 contêm uma concentração molar substancialmente estável de metano (preferivelmente a concentração molar de metano não varia em mais de 20, mais preferivelmente em mais de 10 por cento da concentração média molar de metano). Se os gases não reagidos devem ser enviados para rejeito, por exemplo, queimado em uma chama ou oxidante térmico, a operação econômica melhora com menores concentrações de metano nos gases não reagidos, embora gás natural possa ser necessário para manter a oxidação térmica. Muitas vezes, instalações que geram gás contendo metano, tais como digestores anaeróbicos, têm uma operação de unidade de oxidação térmica ou de outros gases que podem estar disponíveis para a operação de produção de PHA.

[050] De preferência, onde os gases não reagidos são enviados para rejeito, pelo menos cerca de 70 e, de preferência, pelo menos cerca de 80, e às vezes entre cerca de 85 e 99, essencialmente, o metano no gás contendo metano é metabolizado na zona de reação. De preferência, a taxa de passagem de gás contendo metano para a zona de reação é modulada para proporcionar um gás não reagido extraído contendo menos que 10 por cento em mol de metano.

[051] Por outro lado, se os gases não reagidos devem ser usados para a energia, a concentração molar de metano deve ser suficientemente elevada para atingir um teor de calor desejado. Portanto, em algumas formas de realização, os gases não reagidos podem conter 25 ou mais por cento em volume de metano. Os gases não reagidos também contêm dióxido de carbono produzido a partir da atividade metabólica, que pode ou não precisar ser removido. Em qualquer caso, a taxa de fornecimento do gás contendo metano para a zona de reação é modulada para proporcionar uma concentração molar substancialmente estável do metano nos gases não reagidos. Deve ser observado que os gases não reagidos servirão para remover o calor da zona de reação e podem servir para retirar gases

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19/35 indesejados que podem ser dissolvidos no meio aquoso. Se desejado, a taxa de fornecimento do gás contendo metano pode ser modulada com base na remoção de calor ou extração desejada de gases dissolvidos indesejáveis.

[052] Adicionalmente, o meio aquoso pode ser usado para remover do gás contendo metano outros componentes gasosos nele contidos, especialmente onde a corrente de gás não reagida deve ser usada para outros propósitos, como a geração de energia ou matéria-prima para um outro processo biológico ou químico. A remoção de componentes adversos pode tomar a corrente de gás não reagida diretamente adequada para tal uso adicional ou reduzir a quantidade de pré-tratamento. Os componentes removidos podem então ser recuperados do meio aquoso. Os componentes que podem ser removidos pelo meio aquoso incluem, mas não estão limitados a, sulfeto de hidrogênio e dimetil siloxano, ambos podendo ser adversos em cargas de alimentação para combustão e muitos processos químicos catalíticos. Por exemplo, a alimentação contendo metano contém sulfeto de hidrogênio e o meio aquoso absorve pelo menos uma porção do sulfeto de hidrogênio para fornecer uma corrente gasosa não reagida contendo uma concentração reduzida de sulfeto de hidrogênio.

[053] As taxas de transferência de massa de metano e oxigênio da fase gasosa para o interior do caldo dependerão da força propulsora de pressão parcial para cada gás. Cada um de metano e oxigênio tem solubilidade limitada em água, e a redução da massa de dióxido de carbono no caldo aumenta beneficamente a força motriz para a transferência de massa de metano e oxigênio para o caldo. De acordo com esta invenção, para pelo menos um segmento da duração do processo, uma porção do caldo é continuamente retirada da zona de reação e contatada com um gás de extração para remover dióxido de carbono dissolvido e fornecer um meio aquoso pobre em dióxido de carbono, ou caldo, para reciclagem para a zona de reação. Em alguns casos, esta retirada e extração contínuas ocorre durante

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20/35 toda a duração do processo, e em outros casos, ocorre pelo menos quando a densidade dos metanotrofos no caldo é de pelo menos cerca de 2, digamos, pelo menos cerca de 5, e frequentemente pelo menos cerca de 10, gramas por litro. Os metanotrofos podem ser arrastados com o caldo retirado ou podem ser removidos do caldo antes de serem passados para a operação da unidade de extração.

[054] A taxa de retirada do caldo é frequentemente suficiente para remover uma quantidade de dióxido de carbono equivalente a pelo menos cerca de 35, de preferência pelo menos cerca de 40, e em alguns casos entre cerca de 50 e 75% do dióxido de carbono produzido pela atividade metabólica na zona de reação. Deve ser entendido que a alimentação contendo metano pode, em alguns casos, como onde a alimentação contendo metano é biogás, contém dióxido de carbono.

[055] O cálculo da porção de dióxido de carbono removida durante a extração é numa base de equilíbrio de massa levando em conta dióxido de carbono produzido pela atividade metabólica e dióxido de carbono alimentado na zona de reação com substrato e outros nutrientes. Para fins de cálculo, a massa de dióxido de carbono produzida pela atividade metabólica é baseada na suposição de que tanto metano como compostos Cl oxigenados podem resultar na geração de dióxido de carbono. Uma porção de metano e composto Cl oxigenado pode ir para a formação celular, a produção de PHA e outros componentes metabolicamente gerados.

[056] Em um aspecto preferido desta invenção, o metano no caldo retirado é submetido a uma atividade metabólica adicional suficiente antes da extração, de modo que os gases carregados de dióxido de carbono da extração contêm menos que 20, de preferência inferiores a 10 partes por milhão em volume de metano. Neste aspecto preferido da invenção, o fornecimento de oxigênio deve ser suficiente para que o caldo retirado tenha suficiente oxigênio dissolvido para suportar a atividade metabólica.

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[057] Qualquer gás de extração adequado pode ser usado nos processos desta invenção. Ar é um gás prontamente disponível para efetuar a extração. O gás de extração a ser usado para a extração quando contido no caldo que está sendo submetido à extração pode ser a qualquer temperatura adequada que não afete adversamente os metanotrofos, por exemplo, entre cerca de 10° C a 50° C, digamos, 20° C a 45° C. Em muitos casos, é preferido manter a umidade relativa do gás de extração a menos de 50, com maior preferência menor que cerca de 25 por cento, para tirar vantagem de arrefecimento por vaporização de água.

[058] De preferência, a extração é sob condições de modo que pelo menos 50, mais preferivelmente pelo menos cerca de 65, e frequentemente pelo menos cerca de 75% em peso do dióxido de carbono no caldo retirado sejam extraídos. Embora temperaturas mais altas ou mais baixas possam ser usadas, a extração é tipicamente conduzida à temperatura do caldo retirado. Durante a extração, a temperatura do caldo é reduzida principalmente devido a vaporização de dióxido de carbono e vaporização de água. Frequentemente, durante pelo menos uma porção do processo, especialmente durante períodos de tempo de resfriamento de pico, o caldo pobre em dióxido de carbono da extração é de pelo menos cerca de 0,25° C, e algumas vezes, pelo menos cerca de 0,75° C, mais frio do que a temperatura de massa do caldo na zona de reação.

[059] Em um modo, todo ou uma porção do caldo retirado de uma porção inferior da zona de reação onde a concentração de dióxido de carbono dissolvido é maior. Se desejado, o caldo retirado, que está em uma pressão que é pelo menos parcialmente definido pela cabeça do meio aquoso no ponto de remoção, pode ser submetido a condições de vaporização, incluindo uma pressão mais baixa, por exemplo, à pressão ambiente, para remover uma porção do dióxido de carbono antes de ser submetida à extração.

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[060] Conforme estabelecido anteriormente, a extração, se desejado, não precisa ser usada até que a população de metanotrofos atinja uma densidade no caldo que a transferência de massa de metano do gás para o caldo não é adequada para manter o crescimento da população ou produção de PHA ou outras operações de unidade de resfriamento não são suficientes para impedir o acúmulo de temperatura na zona de reação. Altemativamente, a taxa de retirada de caldo para extração pode variar com o crescimento de população. A medida que a população de metanotrofos se aproxima da densidade máxima procurada, a taxa na qual o caldo é retirado para extração de dióxido de carbono frequentemente varia entre cerca de 0,5 e 10, digamos, 1 e 5, vezes o volume do caldo na zona de reação por hora.

[061] O caldo contém nutrientes para os metanotrofos. O processo passa pelo primeiro aumento da população dos metanotrofos no que é algumas vezes referido como a fase de crescimento celular equilibrada onde as cargas de alimentação e todos os nutrientes estão presentes nas razões necessárias para fazer os componentes macromoleculares da célula. Em outras palavras, nenhuma matéria-prima ou nutriente limita a síntese de proteínas, polímeros de carboidrato complexos, gorduras, ou ácidos nucleicos. Então, os metanotrofos são submetidos a condições de nutrientes limitadoras, isto é, em fase de crescimento celular desequilibrada na qual oxigênio ou pelo menos um nutriente (diferente de metano ou Composto Cl oxigenado) necessário para fazer uma ou mais das macromoléculas para crescimento não está presente na proporção requerida. Sob estas condições, ocorre uma aceleração do acúmulo de polímeros. Estes polímeros incluem produtos de armazenamento intracelular tais como um ou mais produtos derivados ou secretados tais como polissacarídeo extracelular. Usualmente, as condições de nutrientes limitadoras são obtidas pela provisão de uma quantidade insuficiente de composto nitrogênio para suportar o crescimento de células balanceados. Outros nutrientes que podem ser restritos ou

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23/35 modulados para atingir o crescimento de células desequilibradas incluem, mas não estão limitados a, cálcio, fósforo, sódio, magnésio, ferro, cobre, boro, zinco, alumínio, níquel, enxofre, molibdênio, manganês e potássio.

[062] O caldo é mantido sob condições adequadas para o rápido crescimento da população de microorganismos durante a fase de crescimento celular equilibrada e para a produção de PHA durante a fase de crescimento celular desequilibrada. Estas condições incluem temperaturas adequadas para os metanotrofos, que são usualmente mesofílicas, por exemplo, entre cerca de 25° C e 45° C, e mais frequentemente entre cerca de 28° C a 42° C

[063] As condições de crescimento de células equilibradas são mantidas por um tempo suficiente para se obter uma densidade desejada de metanotrofo no caldo. Na maioria dos casos, os metanotrofos obtêm uma densidade no caldo de pelo menos cerca de 8, de preferência, pelo menos cerca de 10, gramas por litro (calculado em uma base de células secas). Embora sejam desejadas altas densidades, existem limitações práticas. Por exemplo, a população de microorganismos no caldo pode aumentar a um nível no qual metano e oxigênio insuficientes podem ser fornecidos ao caldo durante condições de crescimento de células equilibradas para obtenção de crescimento adicional da população (condições limitadoras de difusão do substrato). Também, os processos metabólicos são exotérmicos, e assim a capacidade de remover calor da zona de reação pode tomar-se uma limitação. Portanto, a densidade de metanotrofo no final da fase de crescimento de células equilibrada é usualmente pelo menos cerca de 8, digamos, pelo menos cerca de 10, gramas por litro no caldo, e pode ser tão alta quanto 60 ou 80 ou mais gramas por litro no caldo.

[064] Uma vantagem dos processos da presente invenção é a flexibilidade dada ao operador para obter altas densidades de metanotrofo na conclusão das condições de crescimento de células equilibradas devido a ser capaz de conseguir alta transferência de massa de metano e oxigênio a partir

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24/35 da fase gasosa para o caldo, e assim manter as condições de difusão do substrato em altas densidades de metanotrofo no caldo. Consequentemente, em modalidades preferidas, as condições de crescimento de células equilibradas são mantidas pelo menos até que as condições de limitação de difusão do substrato não sejam mais mantidas, são quase atingidas. Portanto, as densidades de metanotrofo no caldo são algumas vezes na faixa de cerca de 20 a 80 ou mais, frequentemente na faixa de 20 a 60, gramas por litro (calculadas em uma base de célula seca).

[065] Em um aspecto desta invenção, um composto Cl oxigenado é introduzido no caldo para suplementar a alimentação de metano. De preferência, o composto Cl oxigenado é derivado de um recurso renovável. Os compostos Cl oxigenados são solúveis no meio aquoso do caldo e assim nenhuma limitação de transferência de massa entre uma fase gasosa e o meio aquoso afeta a taxa na qual o composto Cl oxigenado pode ser introduzido no caldo. Quando se usa um composto Cl oxigenado, o crescimento adicional da população de microorganismos pode ser obtido sob condições de limitação de difusão de metano. O composto Cl oxigenado pode ser adicionado a qualquer momento durante a fase de crescimento celular equilibrada e a fase de crescimento celular desequilibrada. O composto Cl oxigenado pode ser adicionado continuamente ou intermitentemente, e pode somente começar a ser adicionado à medida que o processo se aproxima da transição entre condições de difusão de metano e condições de limitação de difusão de metano. Como o Composto Cl oxigenado é tipicamente rapidamente metabolicamente consumido pelos metanotrofos, a obtenção de uma boa dispersão em todo o fermentador é preferida, bem como a adição do composto Cl oxigenado intermitentemente ou continuamente durante todas as partes do processo de fermentação. O composto Cl oxigenado é preferivelmente usado durante a fase de crescimento celular desequilibrada.

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[066] A quantidade de composto Cl oxigenado fornecido ao caldo pode variar amplamente com ainda obter melhorias desejáveis para o crescimento celular e conversão de metano em PHA. Em geral, o composto Cl oxigenado é fornecido em uma quantidade de cerca de 10 a 200, digamos, 30 a 150, e algumas vezes entre cerca de 50 e 110, gramas por quilograma de massa celular buscada da fermentação. A concentração de composto Cl oxigenado no caldo deve ser mantida abaixo daquela que afeta adversamente os metanotrofos.

[067] Consequentemente, é preferível adicionar de forma contínua ou intermitente o composto Cl oxigenado ao caldo em uma taxa comensurável para fornecer as quantidades procuradas de composto cl oxigenado, mantendo ainda uma concentração abaixo daquela que afeta adversamente os metanotrofos.

[068] A título de exemplo, e não em limitação desta invenção, os experimentos comparativos são conduzidos para ilustrar o efeito do composto Cl oxigenado sobre o crescimento da população dos metanotrofos e a produção de PHA. Dois fermentadores são usados para os experimentos e são operados em paralelo tentando manter as mesmas condições durante a fermentação, exceto para o teor de Composto cl oxigenado (metanol). Os fermentadores são agitados, em escala de laboratório (4 litros) e não utilizam o aspecto desta invenção envolvendo a extração de dióxido de carbono do caldo. Em vez disso, pretende-se que os experimentos ilustrem o efeito de metanol na fermentação. As fermentações são conduzidas a cerca de 30° C e pH de cerca de 7 (mantido pela adição de base, hidróxido de amónio, durante a fase de crescimento e hidróxido de potássio durante a fase de produção de PHA) por uma duração de cerca de 50 horas. O metanotrofo é uma mistura contendo M. Parvus OBBP. Um meio aquoso, convencional, contendo nutrientes, é usado (meio de sais de nitrato, conforme descrito em Peija, et al. Poli-3-hidroxibutirato metabolism in the Type II Metanotroph

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Metilocysts parvus OBBP. Appl. Environ. Microbiol. 77 (17), 6012-6019). O nutriente de fase de crescimento celular desequilibrado retirado é nitrogênio.

[069] Os exemplos proporcionam o seguinte. Na ausência de alimentação de metano, não é gerado nenhum PHA (poli-3-hidroxibutirato) onde o metanol está presente. A adição de metanol aumenta a taxa de crescimento da população de metanotrofo em comparação com o controle que tem a ausência de metanol no caldo. As operações de metanol consomem menos oxigênio para proporcionar uma dada população de células e concentração de PHA. O aumento da concentração de metanol aumenta a concentração de PHA e da população celular. Em todas as operações, o metanol é totalmente consumido. Ver Tabela I.

Tabela 1

	Reater 1	Reator 2
Exemplo	OD » Máximo	PHA * Máximo	Total de metanol adicsonado, gb	OD» Máximo	FHA < Máximo	sotai de metanol adicionado, g^
Ϊ	42	37	0	55	49	iOÍ
2=:-	42	SIÁ	0		15	7?
3	37	41	0	52	50	74
4	33	14	0	56	55	76
y	79	34	0	81	5i	141
6	47	37	84	52	52

a. os Reatores são inoculados a um OD 600 de cerca de 22. Nenhum metano é adicionado após a inoculação.

b. Nos exemplos 1 e 2, cerca de 4 gramas de metanol são adicionados inicialmente e então o metanol remanescente é substancialmente uniformemente adicionado durante a duração da corrida. Nos exemplos 3 a 6, todo o metanol é continuamente adicionado durante a duração do exemplo.

c. a taxa de crescimento de células com metanol é mais rápida do que a sem metanol; entretanto, durante a duração da corrida, o controle alcança a população de células e a concentração de PHA do reator com metanol presente.

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[070] A duração da fase de crescimento de células equilibrada dependerá da concentração do inoculo no caldo, da densidade procurada de metanotrofo na conclusão da fase de crescimento celular equilibrada, e da taxa de reprodução dos metanotrofos. Tipicamente, a fase de crescimento celular desequilibrada é pelo menos cerca de um, preferivelmente pelo menos cerca de 5, e algumas vezes pelo menos cerca de 8, horas, digamos, entre cerca de 5 e 48 e, em alguns casos, entre cerca de 5 e 24 horas.

[071] Na conclusão da fase de crescimento celular desequilibrada, os metanotrofos podem ser colhidos para a recuperação de PHA. Qualquer processo adequado para a recuperação de PHA a partir dos metanotrofos pode ser usado. Onde uma única proteína de célula é o produto final procurado, na conclusão da fase de crescimento de células desequilibrada, os metanotrofos são colhidos.

[072] Tipicamente, os sólidos contendo as células são separados e desidratados. A secagem dos sólidos é usualmente realizada para estabilizar o teor de proteína do produto de proteína de célula única.

[073] Os processos desta invenção podem ser contínuos, semibatelada ou batelada. Em processos contínuos, prefere-se o uso de pelo menos dois biorreatores em sequência de fluxo, sendo o primeiro para o crescimento de população dos metanotrofos, e a segunda sequência de fluxo sendo para a fase de crescimento celular desequilibrada para produzir PHA. Em um processo em batelada, podem ser usados um ou mais biorreatores, cada qual pode ser ciciado entre condições de crescimento de células de equilíbrio e condições de crescimento de células desequilibradas, ou altemativamente um ou mais biorreatores podem ser dedicados ao crescimento de células balanceados e o caldo contendo os metanotrofos passa para um biorreator separado dedicado ao crescimento de células desequilibradas. O último é geralmente referido como sistema de bioreator mãe e filha. Em um processo de semibatelada preferido, um ou mais

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28/35 biorreatores-mãe estão crescendo continuamente a população de metanotrofos. Uma porção do caldo é retirada intermitentemente de um biorreator mãe e é passada para um de uma pluralidade de biorreatores secundários. A porção do caldo retirado do reator-mãe permite, de preferência, que uma porção suficiente do caldo permaneça no reator-mãe para a população de metanotrofos para atingir rapidamente a densidade procurada para iniciar o crescimento de células desequilibradas. Por exemplo, a porção retirada pode deixar cerca de 25% em volume do caldo no biorreator-mãe que resultaria na obtenção da densidade buscada para o crescimento de células desequilibradas em cerca de duas duplas da população. Frequentemente, o volume de caldo remanescente no biorreatormãe é de pelo menos cerca de 10 por cento em volume, digamos, entre cerca de 20 e 50 por cento em volume. O número de biorreatores secundários por biorreator-mãe para o processo semicontínuo é tipicamente entre 2 e cerca de 10. Desse modo, os biorreatores secundários podem, em combinação, fornecer um fornecimento relativamente contínuo de células para a recuperação do produto contendo PHA.

[074] Cada biorreator pode ser de qualquer configuração adequada incluindo, mas não limitado a, biorreatores de tanque profundo (por exemplo, tanque profundo, biorreatores de coluna de bolhas); biorreatores de circuito de jato; biorreatores de tanque agitado; biorreatores de leito de gotejamento; biorreatores de biofilme; biorreatores de leito móvel; biorreatores de membrana e biorreatores estáticos incluindo, mas não limitados a, biorreatores de tubo. Se desejado, dois ou mais biorreatores podem ser usados para o crescimento de células balanceados e para o crescimento de células desequilibradas, e estes biorreatores podem ser de projeto similar ou diferente. Por exemplo, um biorreator de tanque agitado pode ser seguido por um biorreator de tanque profundo. Quando a alta conversão do metano nos gases contendo metano é buscada, os biorreatores

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29/35 de tanque profundo são preferidos. Os biorreatores de tanque profundo são caracterizados como tendo uma profundidade de pelo menos cerca de cinco, e de preferência pelo menos cerca de 10, e podem ser operados para fornecer uma composição de gás substancialmente não uniforme sobre a profundidade do caldo contido no biorreator e uma composição substancialmente uniforme do caldo por todo o biorreator. No tanque profundo, os biorreatores de coluna de bolhas são biorreatores de tanque profundo onde o gás contendo metano e gás contendo oxigênio são introduzidos como pequenas bolhas na porção inferior para promover a mistura. De preferência, cada um dos gases contendo metano e gás contendo oxigênio é introduzido na forma de microbolhas com diâmetros na faixa de 0,01 a 0,5, de preferência de 0,02 a 0,3 milímetro. O uso de edutores ou injetores utilizando fluidos motrizes é preferido para formar as microbolhas. Em muitos casos, os metanotrofos sofrem pouco dano quando passados através de edutores ou injetores e, portanto, nesses casos, os metanotrofos não precisam ser removidos antes da reintrodução do caldo pobre em dióxido de carbono no biorreator.

[075] Qualquer equipamento adequado pode ser usado para extrair dióxido de carbono do caldo retirado. Exemplos de tais equipamentos incluem torres de pulverização, colunas de bolhas, e colunas embaladas ou estruturadas ou membranas de desgaseificação. Devido à baixa queda de pressão, colunas embaladas ou estruturadas são preferidas.

[076] Embora a extração de dióxido de carbono a partir do caldo retirado efetue a remoção do calor da atividade metabólica exotérmica, tipicamente é necessária uma capacidade adicional de resfriamento para impedir as exotermas indevidas durante a fase de crescimento de células equilibradas e a fase de crescimento celular desequilibrada. Frequentemente, à medida que a densidade das células no biorreator se aproxima da concentração máxima desejada, o resfriamento do caldo retirado durante a

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30/35 extração do dióxido de carbono constitui a remoção entre cerca de 10 e 50, digamos, entre cerca de 15 e 40% da remoção de calor necessária para manter o biorreator sob condições isotérmicas. As operações de unidade de transferência de calor auxiliares necessárias para manter condições isotérmicas podem ser uma ou mais de troca de calor direta e indireta. A troca de calor direta, por exemplo, em um processo contínuo, pode ser provida pela adição contínua de água de constituição fria para substituir o caldo continuamente removido do biorreator.

[077] Uma compreensão geral da invenção e sua aplicação pode ser facilitada por referência ao desenho. O desenho não é de limitação dos aspectos amplos da invenção. O desenho é uma representação esquemática de um aparelho designado genericamente como 100, adequado para a prática dos processos desta invenção. O desenho omite equipamento secundário, tais como bombas, compressores, válvulas, instrumentos e outros dispositivos cuja colocação e operação são bem conhecidos por aqueles praticados em engenharia química. O desenho também omite operações de unidade auxiliar. O processo e a operação do aparelho do desenho são descritos no contexto do uso de biogás e ar do digestor anaeróbico para a produção de polihidroxibutirato e ar para a extração de dióxido de carbono. O processo é prontamente adaptável ao uso de outros gases contendo metano, gases contendo oxigênio e gases de extração assim como a produção de outros polímeros de PHA e produtos de proteína de célula única.

[078] O biorreator 102 é um tanque profundo, reator de coluna de bolhas e contém caldo 104. Neste aparelho descrito, o biorreator 102 é usado para crescimento celular balanceado e crescimento de células desequilibradas. Acima do caldo 104 reside o espaço superior 106 e a linha de exaustão 108 para a remoção de gases não reagidos do biorreator. Os gases não reagidos podem ser usados para a geração de calor ou enviado para resíduos.

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[079] Uma porção do caldo no biorreator 102 é passada via linha 110 para o separador 112. Na linha 110 metano dissolvido no caldo retirado continua A ser metabolizado pelos metanotrofos, de modo que o caldo retirado passado para o separador 112 contenha pouco ou qualquer metano dissolvido. Conforme mostrado, o extrator 112 contém recheio estruturado 114A linha 110 distribui o caldo no topo da embalagem estruturada 114 para contato com gás de extração que para propósitos desta discussão é o ar fornecido pela linha 118 na parte inferior do recheio estruturado. O gás de extração carregado de dióxido de carbono sai do separador 112 via linha 116. Uma porção do caldo esgotado de dióxido de carbono é coletada no fundo do extrator 112 para passagem através da linha 120 para o trocador de calor indireto 122. A linha 124 retira o caldo do trocador de calor indireto 122.0utra porção do caldo esgotado de dióxido de carbono é retirada via linha 126. As quantidades relativas da porção do caldo esgotado de dióxido de carbono que passa para o trocador de calor 122 e a porção do caldo esgotado de dióxido de carbono que passa para a linha 126 dependerão da temperatura de volume desejada das porções. Por exemplo, durante os estágios iniciais do crescimento de células balanceados, o resfriamento efetuado no extrator 112 pode requerer que nem todo o caldo esgotado de dióxido de carbono seja submetido a arrefecimento auxiliar no trocador de calor 122.0 desvio de uma porção do caldo esgotado de dióxido de carbono resulta em uma temperatura volumétrica combinada do caldo sendo retomado ao biorreator 102 apropriado para manter a temperatura do caldo no biorreator 102 a uma temperatura constante. Posteriormente no crescimento de células equilibradas, substancialmente todo o caldo esgotado de dióxido de carbono é passado para o trocador de calor 122 para manter condições isotérmicas no biorreator 102Alternativamente, durante a parte anterior do processo, uma porção do gás de extração carregado com dióxido de carbono da linha 116 é misturada com o gás de extração fornecido pela

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32/35 linha 118 para reduzir a força motriz para a vaporização de dióxido de carbono no caldo. Uma vez que menos vaporização de dióxido de carbono ocorrería, o resfriamento é reduzido

[080] O trocador de calor 122 pode ser de qualquer projeto adequado. Esta invenção contempla que o trocador de calor está em combinação com uma bomba de calor onde a bomba de calor proporciona um fluido de temperatura mais elevada para uso neste processo ou outro processo. Em alguns casos, o fluido aquecido proveniente da bomba de calor pode ser usado para troca de calor indireta com o gás de extração, por exemplo, ar, para reduzir a sua umidade e permitir que mais água seja evaporada durante a extração e assim gere mais resfriamento por evaporação. Altemativamente, o fluido aquecido pode ser usado para reduzir a energia térmica necessária para a recuperação de PHA das células.

[081] Conforme será descrito mais adiante, o caldo de reciclagem é usado como fluido motriz para a introdução de gases contendo metano e gases contendo oxigênio no biorreator 102. A linha 128 serve para equilibrar as vazões do caldo de reciclagem em cada uma das linhas 126 e 124, conforme requerido como fluido motriz.

[082] O caldo sendo reciclado na linha 124 é passado para a bomba 130 e então através da linha 132 para retomo para o biorreator 102. O caldo na linha 128 é passado para a bomba 136 e então para a linha 138 para retomo ao biorreator 102. O gás contendo metano e gás contendo oxigênio pode ser introduzido no biorreator 102 de qualquer maneira conveniente. O uso de injetores (ejetores de gás-líquido) é particularmente atraente pelo fato de que bolhas muito finas podem ser geradas a consumo de energia relativamente baixo. Os injetores podem ser misturadores/areadores de jato ou injetores de fenda. Os injetores de fenda são preferidos, uma forma da qual é apresentada na Patente US n ° 4,162,970. Estes injetores operam utilizando um líquido motriz. Os injetores, especialmente injetores de fenda, são capazes de operar

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33/35 em uma ampla faixa de vazões de líquido e gás e assim são capazes de uma redução significativa na capacidade de transferência de gás. Os injetores são caracterizados como tendo bocais de pelo menos cerca de 1, frequentemente cerca de 1,5 a 5, digamos, 2 a 4, centímetros como a dimensão de seção transversal no caso de injetores de jato ou como a dimensão de seção transversal menor no caso de injetores de fenda. O tamanho de bolha gerado pelos injetores será influenciado por, entre outros fatores, a taxa de fluxo de líquido através do injetor e a razão de fase gasosa para fase líquida que passa através do injetor bem como características do próprio caldo incluindo, mas não limitado a sua profundidade de líquido estático. Em alguns casos, as microbolhas, que formam uma dispersão de gás-líquido menos densa, e qualquer fluido motriz usado para gerar as microbolhas, podem facilitar a mistura líquida num biorreator. A grande dimensão de seção transversal dos injetores proporciona diversos benefícios além de ser capaz de produzir microbolhas. Em primeiro lugar, elas não são propensas à incrustação uma vez que o caldo é usado como o líquido motriz como seria um aspersor projetado para produzir microbolhas. Segundo, a energia necessária para fornecer microbolhas de tamanho dado é frequentemente menor do que a necessária para formar microbolhas desse tamanho utilizando um aspersor de microbolhas. Terceiro, pode ser obtida uma alta razão de giro. E quarto, o tamanho de microbolhas pode ser facilmente variado sobre uma ampla faixa. Gás contendo oxigênio é fornecido aos injetores via linha 134 e metano é fornecido aos injetores via linha 140.

[083] Os nutrientes e a água de constituição são supridos ao caldo 104 no biorreator 102 via linha 142.

[084] A título de ilustração e não de limitação, em operação, o biorreator 102 é um fermentador de 60.000 litros cheio com caldo a cerca de 10 metros de profundidade e inoculado com metanotrofos. Não é essencial que o biorreator 102 seja esterilizado antes da inoculação. Biogás a uma taxa

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34/35 de 1850 litros por minuto e contendo cerca de 23 por cento molar de metano é passado para o biorreator 102A medida que a população de metanotrofo aumenta, se não já até o volume total, água e/ou nutrientes adicionais e outros aditivos podem ser adicionados via linha 142 tanto continuamente quanto intermitentemente para aumentar o volume do caldo relativamente proporcional ao aumento na população de metanotrofos. O fluxo de gases contendo metano e gases contendo oxigênio é iniciado no momento da inoculação do caldo ou imediatamente antes da inoculação. Onde os gases são introduzidos utilizando um injetor, é usualmente preferido retirar uma porção do caldo do biorreator 102 para ser diretamente ou indiretamente passada para cada uma das bombas 130 e 136 para suprir o fluido motriz (não representado).

[085] Quando a população dos metanotrofo é aumentada para o ponto onde é desejado remover dióxido de carbono do caldo para aumentar a transferência de massa de metano e oxigênio para a fase líquida, cerca de 4500 litros por minuto do caldo são passados via linha 110 para o Separador 112. Cerca de 135.000 litros (temperatura e pressão padrão) de ar são passados para o separador 112 via linha 118, e cerca de 99 por cento do dióxido de carbono dissolvido no caldo é removido. Conforme estabelecido anteriormente, dependendo da temperatura no biorreator, o caldo esgotado de dióxido de carbono é removido através de uma ou ambas As linhas 120 em 126 para reciclagem para o biorreator 102. Em comparação com um processo conduzido sem extração de dióxido de carbono do caldo, o requisito de resfriamento por evaporação é reduzido em cerca de 47 por cento em requisitos de resfriamento de pico e a força motriz para transferência de massa de metano para o caldo é aumentada em cerca de 35 por cento.

[086] Quando a densidade de metanotrofo no caldo no biorreator 102 alcança um nível desejado, a operação do biorreator 102 é comutada para o crescimento de células desequilibrado pela mudança da composição de

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35/35 nutrientes fornecida ao biorreator 102 via linha 142. Na conclusão da fase de crescimento celular desequilibrada, os metanotrofos são colhidos e PMB recuperados.

Claims (24)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Processo de alta produtividade para a bioconversão de metano em produto contendo polihidroxialcanoato caracterizado por compreender: (a) passagem de gás de substrato compreendendo um gás contendo metano e um gás contendo oxigênio a uma zona de reação para contato sob condições de fermentação com um meio aquoso tendo uma população de metanotrofos no seu interior, o referido meio contendo nutrientes para o crescimento da população do metanotrofos para fornecer um meio aquoso rico em metanotrofos, o referido crescimento da população de metanotrofos também resultando na co-produção de dióxido de carbono, água e calor, e retirando o gás não reagido da dita zona de reação; (b) passagem de um gás contendo metano e um gás contendo oxigênio para uma zona de reação para contato sob condições de fermentação com pelo menos uma porção do meio aquoso rico em metanotrofos, o referido meio tendo uma limitação de pelo menos um nutriente requerido para o crescimento da população dos metanotrofos para criar condições limitadas de nutrientes que inibem o crescimento da população de metanotrofos e causar a produção de poliidroxialcanoato por meio dos metanotrotros e a co-produção de dióxido de carbono, água e calor, e retirada de gás não reagido da dita zona de reação; e (c) separar os metanotrofos contendo poliidroxialcanoato do meio aquoso da etapa (b), em que para pelo menos uma porção da duração de cada etapa (a) e (b):

   i. a taxa de passagem de pelo menos um gás contendo gás de substrato para a zona de reação em cada uma das etapas (a) e (b) é em condições de difusão do substrato;

   ii. em pelo menos uma das etapas (a) e (b) uma porção do meio aquoso é continuamente retirada da zona de reação e contatada com um gás de extração para remover dióxido de carbono e fornecer um meio aquoso pobre em dióxido de carbono; e

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2. 2/6 iii. passagem de pelo menos uma porção do meio aquoso pobre em dióxido de carbono para a zona de reação de pelo menos uma das etapas (a) e (b).

   2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o gás limitante de substrato compreender gás contendo metano.
3. 3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por a taxa de passagem de gás contendo metano para a zona de reação em pelo menos uma das etapas (a) e (b) ser modulada para proporcionar uma concentração molar substancialmente estável de metano nos gases não reagidos.
4. 4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a alimentação contendo metano conter sulfeto de hidrogênio e o meio aquoso absorver pelo menos uma porção do sulfeto de hidrogênio para fornecer uma corrente de gás não reagido contendo uma concentração reduzida de sulfeto de hidrogênio.
5. 5. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a zona de reação de pelo menos uma das etapas (a) e (b) ser um tanque profundo, zona de reação de coluna de bolhas caracterizada em composição líquida substancialmente uniforme e composição de gás substancialmente não-uniforme sobre a altura da zona de reação, e pelo menos uma porção do dito gás contendo substrato ser introduzida em uma porção inferior da zona de reação.
6. 6. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a taxa de retirada do caldo na etapa (ii) ser suficiente para remover uma quantidade de dióxido de carbono equivalente a pelo menos cerca de 40 por cento do dióxido de carbono produzido pela atividade metabólica na zona de reação.

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7. 7. Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por a taxa de retirada do caldo na etapa (ii) ser suficiente para remover entre 50 e 75 por cento do dióxido de carbono produzido pela atividade metabólica na zona de reação.
8. 8. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por pelo menos um composto Cl oxigenado ser adicionado à zona de reação da etapa (a) quando a taxa de passagem de gás contendo metano para a zona de reação não está mais sob condições de difusão de metano.
9. 9. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a porção do meio aquoso pobre em dióxido de carbono passada para a zona de reação de pelo menos uma das etapas (a) e (b) ser resfriada.
10. 10. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as etapas (a) e (b) serem realizadas sequencialmente em um recipiente de reator.
11. 11. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por cada uma das etapas (a) e (b) ser realizada em vasos reatores separados.
12. 12. Processo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por uma porção do meio aquoso na zona de reação da etapa (a) ser passada para a zona de reação da etapa (b).
13. 13. Processo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por pelo menos duas zonas de reação da etapa (b) serem fornecidas para cada zona de reação da etapa (a) e uma porção do meio aquoso da etapa (a) ser passada para pelo menos uma das zonas de reação da etapa (b) em um dado tempo para a obtenção de um processo semi-batelada.
14. 14. Processo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por a porção passada para uma das zonas de reação de etapa (b) em um dado tempo ser entre 25 e 95 por cento em volume do meio aquoso

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    4/6 na zona de reação da etapa (a), e meio aquoso adicional ser fornecido à zona de reação da etapa (a) para desenvolver a população de metanotrofos.
15. 15. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o gás contendo metano compreender biogás.
16. 16. Processo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por o gás contendo metano compreender gás digestor anaeróbico.
17. 17. Processo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por o gás contendo metano compreender pelo menos um dentre um gás de aterro e um gás residual derivado diretamente ou indiretamente de outro processo de fermentação.
18. 18. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o meio aquoso pobre em dióxido de carbono ser submetido a troca de calor indireta com um fluido de resfriamento para resfriamento adicional do meio aquoso pobre em dióxido de carbono e aquecimento do fluido de resfriamento.
19. 19. Processo, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por o fluido de resfriamento aquecido da troca de calor indireta ser passado para uma bomba de calor para a provisão de um fluido superaquecido.
20. 20. Processo de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por o fluido superaquecido ser usado para aquecer o gás de extração.
21. 21. Processo, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por o fluido superaquecido ser usado na recuperação de polihidroxialcanoato de metanotrofos.

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22. 22. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o meio aquoso ser retirado de uma porção inferior da zona de reação para pelo menos uma etapa (a) e (b), submetido a condições de vaporização para remover uma porção do dióxido de carbono no seu interior, e em seguida submetido a contato com um gás de extração.
23. 23. Processo de alta produtividade para a bioconversão de metano em produto contendo polihidroxialcanoato caracterizado por compreender: (a) passar um gás contendo metano e um gás contendo oxigênio a uma zona de reação para contato sob condições de fermentação com um meio aquoso tendo uma população de metanotrofos no seu interior, o referido meio contendo nutrientes para o crescimento da população dos metanotrofos para fornecer um meio aquoso rico em metanotrofo , o referido crescimento da população de metanotrofos também resulta na co-produção de dióxido de carbono, água e calor, e retirando o gás não reagido da dita zona de reação; (b) passar um gás contendo metano e um gás contendo oxigênio para uma zona de reação para contato sob condições de fermentação com pelo menos uma porção do meio aquoso rico em metanotrofo, o referido meio tendo uma ausência substancial de pelo menos um nutriente necessário para o crescimento da população de metanotrofo para causar a produção de poli-hidroxialcanoato e a co-produção de dióxido de carbono, água e calor, e a retirada de gás não reagido da dita zona de reação; e (c) separação dos mesmos derivados contendo polihidroxialcanoato a partir do meio aquoso da etapa (b), em que um composto Cl oxigenado de pelo menos um dentre metanol e ácido fórmico ou sal solúvel em água do mesmo é fornecido ao meio aquoso em pelo menos uma das etapas (a) e (b).
24. 24. Processo de alta produtividade para a bioconversão de metano em produto contendo polihidroxialcanoato caracterizado por compreender: (a) passagem de gás de substrato compreendendo um gás

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    6/6 contendo metano e um gás contendo oxigênio a uma zona de reação para contato sob condições de fermentação com um meio aquoso tendo uma população de metanotrofos no seu interior, o referido meio contendo nutrientes para o crescimento da população de metanotrofos para fornecer um meio aquoso rico em metanotrofos , o referido crescimento da população de metanotrofos também resulta na co-produção de dióxido de carbono, água e calor, retirando o gás não reagido da dita zona de reação; (b) passar um gás contendo metano e um gás contendo oxigênio para uma zona de reação para contato sob condições de fermentação com pelo menos uma porção do meio aquoso rico em metanotrofos, o referido meio tendo uma ausência substancial de pelo menos um nutriente necessário para o crescimento da população dos metanotrofos, para causar a produção de polihidroxialcanoato e a co-produção de dióxido de carbono, água e calor, e retirando o gás não reagido da dita zona de reação; e (c) separação dos mesmos derivados contendo polihidroxialcanoato do meio aquoso da etapa (b), em que pelo menos uma porção da duração de cada etapa (a) e (b):

    i. a taxa de passagem de pelo menos um gás contendo gás de substrato para a zona de reação em cada uma das etapas (a) e (b) é em condições de difusão do substrato;

    ii. em pelo menos uma das etapas (a) e (b) uma porção do meio aquoso é continuamente retirada da zona de reação e contatada com uma membrana semipermeável para remover dióxido de carbono e fornecer um meio aquoso pobre em dióxido de carbono; e iii. a passagem de pelo menos uma porção do meio aquoso pobre em dióxido de carbono para a zona de reação de pelo menos uma das etapas (a) e (b).