BR112019026278A2

BR112019026278A2 - Método de conversão de uma matéria-prima carbonácea em um produto de fermentação de gás de síntese; e aparelho para converter uma matéria-prima carbonácea

Info

Publication number: BR112019026278A2
Application number: BR112019026278-4A
Authority: BR
Inventors: Winter John; John Winter; Hohman Jerrod; Jerrod Hohman
Original assignee: David Aldous
Priority date: 2017-06-12
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2020-06-23
Also published as: US11857923B2; US20240123401A1; US20180141000A1; US20220080353A1; WO2018231663A1; US11202989B2; US10603632B2; CN110945134A; US20200156002A1; JP2020523036A; EP3638800A1; EP3638800A4; SG11201911722YA; CA3066400A1; ZA202000118B; JP7256180B2

Abstract

A presente invenção fornece um método (e aparelho adequado) para converter biomassa em etanol, que compreende gasificar a biomassa para produzir gás de síntese bruto; fornecer o gás de síntese bruto para uma unidade de remoção de gás ácido para remover pelo menos alguma parte do CO2 e produzir uma corrente de gás de síntese condicionada; fornecer a corrente de gás de síntese condicionada para um fermentador para converter biologicamente o gás de síntese em etanol; capturar um gás de resíduo de uma saída do fermentador, em que o gás de resíduo compreende pelo menos CO2 e CO ou H2 não convertido; e reciclar uma primeira porção do gás de resíduo para o fermentador e/ou uma segunda porção do gás de resíduo para a unidade de remoção de gás ácido. Esta invenção permite a conversão aumentada de gás de síntese em etanol, eficiência de processo aprimorada e melhor economia de biorrefinaria geral para conversão de biomassa em etanol.

Description

MÉTODO DE CONVERSÃO DE UMA MATÉRIA-PRIMA CARBONÁCEA EM UM PRODUTO DE FERMENTAÇÃO DE GÁS DE SÍNTESE; E APARELHO PARA CONVERTER UMA MATÉRIA-PRIMA CARBONÁCEA DADOS DE PRIORIDADE

[001] Este pedido de patente internacional reivindica prioridade do Pedido de Patente Provisório nº U.S. 62/518.295, depositado em 12 de junho de 2017, e do Pedido de Patente nº U.S. 15/876.198, depositado em 21 de janeiro de 2018, em que cada um está incorporado no presente documento a título de referência.

CAMPO DA INVENÇÃO

[002] A presente invenção se refere, de modo geral, ao campo de processos, configurações de processo e aparelho para a conversão de gás de síntese em produtos, como etanol.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[003] O gás de síntese (doravante denominado como gás de síntese) é uma mistura de hidrogênio (H2) e monóxido de carbono (CO). O gás de síntese pode ser produzido, em princípio, a partir de virtualmente qualquer material que contém carbono. Os materiais carbonáceos incluem comumente recursos fósseis como gás natural, petróleo, carvão e lignita; e recursos renováveis como biomassa lignocelulósica e diversos materiais de refugo ricos em carbono. É preferencial usar um recurso renovável para produzir gás de síntese devido ao crescimento econômico, custos ambientais e sociais associados a recursos fósseis.

[004] O gás de síntese é uma plataforma intermediária nas indústrias químicas e de biorrefinamento e tem um vasto número de usos. O gás de síntese pode ser convertido em alcanos, olefinas, oxigenatos e álcoois. Esses produtos químicos podem ser mesclados em, ou usados diretamente como, combustível diesel, gasolina e outros combustíveis líquidos. O gás de síntese pode ser convertido em combustíveis líquidos, por exemplo, por síntese de metanol, síntese de álcool misto, química de Fischer-Tropsch e fermentação de gás de síntese em etanol. O gás de síntese também pode ser diretamente queimado para produzir calor e energia.

[005] Sabe-se que certos micro-organismos podem fermentar combinações de monóxido de carbono, hidrogênio e dióxido de carbono em etanol de acordo com as seguintes reações gerais: 6 CO + 3 HO > C2HsOH + 4 CO; 6 H2 + 2 CO7 — C2HsSOH + 3 HO

[006] A fermentação de acordo com essas reações muitas vezes emprega condições anaeróbicas. Dependendo do organismo e das condições de reação (por exemplo, pH), diversos outros produtos podem ser produzidos, como ácido acético, ácido butírico ou butanol. Algumas cepas de micro-organismos anaeróbicos são relatadas como convertendo gás de síntese em etanol, n-butanol ou outros produtos químicos com alta seletividade.

[007] A fermentação de gás de síntese em produtos como etanol e ácido acético pode alcançar seletividade bastante alta, mas devido a limitações de transferência de massa e baixas atividades por volume de unidade de reatores, os reatores tendem a ser muito grandes. A conversão de gás de síntese em reatores bem misturados é, em geral, limitada.

[008] Adicionalmente, a produção de etanol a partir de gás de síntese irá resultar na coformação de CO;. Esse CO, está presente no gás de resíduo do fermentador, isto é, uma corrente de vapor que deriva do fermentador. O gás de resíduo contém, em geral, qualquer gás de síntese não convertido, o CO2 produzido na fermentação e os inertes (incluindo CO>z) inicialmente contidos na alimentação de gás de síntese para o fermentador. O gás de resíduo é comumente queimado para recuperar a energia no gás de síntese não convertido, bem como a energia em qualquer outro componente combustível contido na corrente de gás de síntese condicionada, como metano.

[009] O gás de síntese não convertido não pode simplesmente ser reciclado para extinção. Os inertes e o CO; produzido no fermentador precisam ser removidos do processo geral. A remoção de CO, do gás de resíduo em uma unidade separada a jusante do fermentador é relativamente dispendiosa. Além disso, a separação do gás de síntese não convertido dos gases inertes e outras espécies (como metano) não é desejável.

[010] Em vista desses problemas associados à fermentação de gás de síntese, é necessária uma configuração de processo aprimorada que use de modo mais eficaz os componentes de gás de síntese para produzir produtos líquidos de interesse, como etanol. De preferência, qualquer um desses aprimoramentos não causa aumentos significativos em custos gerais de capital de usina.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[011] Em algumas variações, a invenção fornece um método para converter uma matéria-prima carbonácea em um produto de fermentação de gás de síntese, sendo que o método compreende: (a) introduzir uma matéria-prima carbonácea e um oxidante em um gaseificador, sob condições de gasificação adequadas para produzir uma corrente de gás de síntese bruta que compreende CO, H> e CO;z;

(b) fornecer opcionalmente pelo menos uma porção da corrente de gás de síntese bruta para uma unidade de limpeza de gás de síntese, para produzir uma corrente de gás de síntese intermediária;

(c) fornecer pelo menos uma porção da corrente de gás de síntese bruta e/ou pelo menos uma porção da corrente de gás de síntese intermediária, caso presente, para uma unidade de remoção de gás ácido, para remover pelo menos alguma parte do CO7 e produzir uma corrente de gás de síntese condicionada;

(d) fornecer pelo menos uma porção da corrente de gás de síntese condicionada a um fermentador, sob condições de fermentação adequadas e na presença de micro-organismos e nutrientes adequados para converter biologicamente um ou mais dentre CO, H27 ou COz em um produto de fermentação de gás de síntese;

(e) capturar um gás de resíduo de uma saída do fermentador, em que o gás de resíduo compreende pelo menos CO; e CO ou Hr convertido;

(f£f) reciclar uma primeira quantidade do gás de resíduo para o fermentador em uma quantidade descrita por Ri, a razão volumétrica da primeira quantidade para o gás de resíduo, em que R;1 é selecionado dentre 0 e 1; e

(g) reciclar uma segunda quantidade do gás de resíduo para a unidade de remoção de gás ácido em uma quantidade descrita por R»7, a razão volumétrica da segunda quantidade para o gás de resíduo, em que R7 é selecionado dentre 0 e 1,

em que Ri + R27 é maior que 0; e em que Ri; + R7 não é maior que 1.

[012] A matéria-prima carbonácea pode incluir ou consistir essencialmente em biomassa. O oxidante pode incluir um ou mais dentre ar, oxigênio e vapor. O gaseificador é um gaseificador de leito fluidizado, em algumas modalidades.

[013] Em algumas modalidades, o método inclui alimentar pelo menos uma porção da corrente de gás de síntese bruta para uma unidade de limpeza de gás de síntese, para produzir uma corrente de gás de síntese intermediária. A unidade de remoção de gás ácido pode ser configurada para remover adicionalmente pelo menos alguma parte de H/S, caso presente.

[014] Em algumas modalidades, a primeira quantidade do gás de resíduo é comprimida antes de ser reciclada para o fermentador. Nessas ou em outras modalidades, a segunda quantidade do gás de resíduo é comprimida antes de ser reciclada para a unidade de remoção de gás ácido. Opcionalmente, a primeira quantidade e a segunda quantidade do gás de resíduo são separadamente comprimidas antes de serem recicladas para o fermentador e a unidade de remoção de gás ácido, respectivamente.

[015] Em algumas modalidades, Ri é selecionado dentre O a cerca de 0,5, ou de 0 a cerca de 0,2. Em algumas modalidades, R27 é selecionado dentre O a cerca de 0,8, ou cerca de 0,2 a cerca de 0,5. Em algumas modalidades, a soma Ri + R> é selecionado dentre cerca de 0,001 a cerca de 0,8, como de cerca de 0,25 a cerca de 0,5.

[016] O método pode incluir uma estratégia de controle de reciclagem de gás de resíduo para responder a um ou mais parâmetros a montante selecionados a partir do grupo que consiste no tipo de matéria-prima, perfil de oxidante,

projeto ou desempenho de geração de gás de síntese, projeto ou desempenho de limpeza de gás de síntese e projeto ou desempenho de remoção de gás ácido.

[017] O método pode incluir uma estratégia de controle de reciclagem de gás de resíduo para responder a um ou mais parâmetros de fermentador selecionados a partir do grupo que consiste em temperatura, pressão, tempo "de permanência, pH, potencial redox, concentração de nutriente, viabilidade celular e vitalidade celular. Algumas modalidades incluem adicionalmente reciclar células a partir do fermentador de volta para o gaseificador.

[018] O método pode incluir uma estratégia de controle de reciclagem de gás de resíduo para responder a uma ou mais variáveis de fermentador selecionadas a partir do grupo que consiste em conversão de CO, conversão de Hz, conversão de CO2, seletividade de etanol, produtividade de etanol, título de etanol e seletividade de ácido acético.

[019] Em certas modalidades, o método inclui uma estratégia de controle de reciclagem de gás de resíduo para controlar o teor de CO, na alimentação ao fermentador. Por exemplo, o teor de CO; na alimentação ao fermentador pode ser controlado para um nível selecionado a partir de cerca de 5% em volume a cerca de 50% em volume, como cerca de 10 a 40% em volume ou cerca de 20 a 30% em volume de CO;, mediante o ajuste de R1 e/ou Ro.

[020] Em certas modalidades, o método inclui uma estratégia de controle de reciclagem de gás de resíduo para controlar a razão molar de gás ácido, (CO + H2)/(CO7r + H2S), na alimentação ao fermentador. Por exemplo, a razão molar de gás ácido na alimentação ao fermentador pode ser controlada para um valor selecionado dentre cerca de 2 a cerca de 10 ou mais, ou de cerca de 10 a cerca de 20.

[021] Em diversas modalidades, o gás de resíduo contém entre cerca de 2% e cerca de 10% do gás de síntese contido na corrente de gás de síntese bruta. Em algumas modalidades, a reciclagem de gás de resíduo aprimora a transferência de massa dentro do fermentador. Nessas ou em outras modalidades, a reciclagem de gás de resíduo comprimido aumenta a pressão dentro do fermentador, permitindo, assim, que mais gás de síntese entre na fase líquida para a bioconversão.

[022] Um reformador pode ser disposto entre o gaseificador e a etapa de remoção de gás ácido. O reformador pode ser usado para converter ou craquear metano, alcatrões ou outros componentes, e produzir gás de síntese adicional para bioconversão.

[023] Em algumas modalidades da invenção, a conversão total de CO e H, é pelo menos 90%, com mais preferência pelo menos 95% e com a máxima preferência pelo menos 98%. Outras modalidades necessariamente não tentam maximizar a conversão de gás de síntese, mas, de preferência, otimizar a conversão de gás de síntese em produtos em relação a necessidades energéticas de usina.

[024] Em modalidades preferenciais, a conversão total de CO e H> é pelo menos cinco pontos de porcentagem maior que a conversão total de CO e H> que é alcançada em um método comparável com tanto R;' como R2 iguais a O. Em modalidades mais preferenciais, a conversão total de CO e H> é pelo menos dez ou quinze pontos de porcentagem maior que a conversão total de CO e H> que é alcançada em um método comparável com tanto Ri como R> iguais a O.

[025] Esses métodos podem incluir adicionalmente recuperar o produto de fermentação de gás de síntese a partir do fermentador. Em algumas modalidades, o produto de fermentação de gás de síntese é etanol. A invenção é, entretanto, de forma alguma limitada a etanol. Um outro produto de fermentação de gás de síntese exemplificador é butanol, como l-butanol.

[026] Outras variações desta invenção fornecem um aparelho para converter uma matéria-prima carbonácea em um produto de fermentação de gás de síntese, sendo que o aparelho compreende: (a) um gaseificador para gasificar uma matéria-prima carbonácea com um oxidante, para produzir uma corrente de gás de síntese bruta que compreende CO, H> e CO>; (b) uma unidade de limpeza de gás de síntese opcional em comunicação com o gaseificador, para produzir uma corrente de gás de síntese intermediária de pelo menos uma porção da corrente de gás de síntese bruta; (c) uma unidade de remoção de gás ácido em comunicação com a unidade de limpeza de gás de síntese, caso presente; ou em comunicação com o gaseificador, se nenhuma unidade de limpeza de gás de síntese estiver presente; para remover pelo menos alguma parte do dito CO; e produzir uma corrente de gás de síntese condicionada; (d) um fermentador em comunicação com a unidade de remoção de gás ácido, para converter biologicamente um ou mais de CO, Hz ou CO; em um produto de fermentação de gás de síntese; (e) um conduto de gás de resíduo em comunicação com o fermentador; e

(f£) um conduto de reciclagem em comunicação com o conduto de gás de resíduo para reciclar o gás de resíduo para o fermentador.

[027] Ainda outras variações desta invenção fornecem um aparelho para converter uma matéria-prima carbonácea em um produto de fermentação de gás de síntese, sendo que o aparelho compreende: (a) um gaseificador para gasificar uma matéria-prima carbonácea com um oxidante, para produzir uma corrente de gás de síntese bruta que compreende CO, H> e CO>; (b) uma unidade de limpeza de gás de síntese opcional em comunicação com o gaseificador, para produzir uma corrente de gás de síntese intermediária de pelo menos uma porção da corrente de gás de síntese bruta; (c) uma unidade de remoção de gás ácido em comunicação com a unidade de limpeza de gás de síntese, caso presente; ou em comunicação com o gaseificador, se nenhuma unidade de limpeza de gás de síntese estiver presente; para remover pelo menos alguma parte do dito CO; e produzir uma corrente de gás de síntese condicionada; (d) um fermentador em comunicação com a unidade de remoção de gás ácido, para converter biologicamente um ou mais de CO, H27 ou CO; em um produto de fermentação de gás de síntese; (e) um conduto de gás de resíduo em comunicação com o fermentador; e (£f) um conduto de reciclagem em comunicação com o conduto de gás de resíduo para reciclar o gás de resíduo para a unidade de remoção de gás ácido.

[028] Outras variações desta invenção fornecem um aparelho para converter uma matéria-prima carbonácea em um produto de fermentação de gás de síntese, sendo que o aparelho compreende: (a) um gaseificador para gasificar uma matéria-prima carbonácea com um oxidante, para produzir uma corrente de gás de síntese bruta que compreende CO, H> e CO>; (b) uma unidade de limpeza de gás de síntese opcional em comunicação com o gaseificador, para produzir uma corrente de gás de síntese intermediária de pelo menos uma porção da corrente de gás de síntese bruta; (c) uma unidade de remoção de gás ácido em comunicação com a unidade de limpeza de gás de síntese, caso presente; ou em comunicação com o gaseificador, se nenhuma unidade de limpeza de gás de síntese estiver presente; para remover pelo menos alguma parte do dito CO; e produzir uma corrente de gás de síntese condicionada; (d) um fermentador em comunicação com a unidade de remoção de gás ácido, para converter biologicamente um ou mais de CO, H27 ou CO; em um produto de fermentação de gás de síntese; (e) um conduto de gás de resíduo em comunicação com o fermentador; (f£) um conduto de reciclagem em comunicação com o conduto de gás de resíduo para reciclar gás de resíduo, em que o conduto de reciclagem inclui um primeiro conduto para reciclar uma primeira quantidade do gás de resíduo para o fermentador e um segundo conduto para reciclar uma segunda quantidade do gás de resíduo para a unidade de remoção de gás ácido.

[029] O gaseificador pode ser um gaseificador de leito fluidizado, por exemplo. Algum aparelho inclui adicionalmente um reformador disposto entre o gaseificador e a unidade de remoção de gás ácido. O aparelho preferencial inclui um ou mais compressores em comunicação com o conduto de reciclagem. Algum aparelho inclui adicionalmente uma unidade de purificação para recuperar, na forma purificada, o produto de fermentação de gás de síntese a partir do fermentador.

[030] O produto de fermentação de gás de síntese pode ser etanol, butanol, ácido acético, ácido butírico ou qualquer outro produto biológico associado à produção ou crescimento de um ou mais micro-organismos com capacidade para consumir CO, H> e/ou CO>z.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[031] A Figura 1 é um fluxograma de blocos que representa algumas modalidades da presente invenção.

[032] A Figura 2 é um fluxograma de blocos que representa algumas modalidades.

[033] A Figura 3 é um fluxograma de blocos que representa certas modalidades.

[034] A Figura 4 é um fluxograma de blocos que representa algumas modalidades desta invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES DA INVENÇÃO

[035] Esta descrição possibilitará que um versado na técnica fabrique e use a invenção, e descreve várias modalidades, adaptações, variações, alternativas e usos da invenção, incluindo o que se acredita ser presentemente o melhor modo para realizar a invenção.

[036] Conforme usadas neste relatório descritivo e nas reivindicações anexas, as formas singulares “um”, “uma”, “o” e “a” incluem referentes no plural, a menos que o contexto indique claramente de outro modo. Por exemplo, “um fermentador” inclui uma pluralidade de fermentadores reais, em série ou em paralelo. A menos que seja definido o contrário, todos os termos técnicos e científicos usados no presente documento têm o mesmo significado como é comumente compreendido por um indivíduo de habilidade comum na técnica à qual esta invenção pertence.

[037] A não ser que indicado de outro modo, todos os números que expressam condições de reação, estequiometrias, concentrações de componentes, e assim por diante, usados no relatório descritivo e nas reivindicações devem ser entendidos como sendo modificados em todos os casos pelo termo “cerca de”. Consequentemente, a menos que se indique o contrário, os parâmetros “numéricos apresentados no seguinte relatório descritivo e nas reivindicações anexas são aproximações que podem variar dependendo pelo menos de uma técnica analítica específica.

[038] Algumas variações da invenção podem ser descritas com referência à configuração de processo mostrada na Figura 1, que se refere tanto ao aparelho como a métodos para realizar a invenção. Qualquer referência a uma “etapa” do método inclui referência a uma “unidade” de aparelho ou equipamento que é adequado para realizar a etapa, e vice-versa.

[039] Na etapa de geração de gás de síntese, a matéria-prima carbonácea como biomassa é gaseificada com um ou mais oxidantes para produzir uma corrente de gás de síntese bruta que compreende pelo menos gás de síntese (CO e H>). Outras espécies de gás na corrente de gás de síntese bruta podem incluir gases ácidos CO; e H/S, espécies relativamente inertes como CH, e N%, e constituintes residuais como alcatrões, cinza e particulados.

[040] A corrente de gás de síntese bruta a partir da geração de gás de síntese pode se submeter a uma ou mais etapas de limpeza para remover contaminantes específicos, como particulados, formando assim uma corrente de gás de síntese intermediária. A corrente de gás de síntese bruta e/ou a corrente de gás de síntese intermediária (que pode incluir alguma quantidade de reciclo) opcionalmente se submete a uma etapa de remoção de gás ácido para remover quantidades de volume de CO; e/ou H7S, formando assim uma corrente de gás de síntese condicionada. Tipicamente, pelo menos CO; (e H2O) será removido em uma unidade de remoção de gás ácido, mas remoção de HS também pode ser desejada. Se HS também deve ser removido, e até que ponto, tipicamente depende de quanto enxofre está presente (se houver) na matéria-prima carbonácea, do impacto de compostos que contêm enxofre em operações a jusante, e do impacto da remoção de HoS que pode ter na remoção de CO.

[041] A corrente intermediária, a montante da adição de uma corrente de reciclagem (se houver), terá tipicamente entre cerca de 5 e 30% em volume de CO;z. A corrente de gás de síntese condicionada, a montante da adição de uma corrente de reciclagem (se houver), terá tipicamente entre cerca de 1 e 25% em volume de CO; ou 2 a 20% em volume de CO, em algumas modalidades. A corrente de gás de resíduo, em diversos cenários de reciclagem, terá tipicamente entre cerca de 10 e 90% em volume de CO;z, como cerca de 20 a 80% em volume de CO7 ou cerca de 25 a 75% em volume de CO7z. Outras faixas de teor de CO, em várias correntes são possíveis, dependendo de muitos fatores.

[042] A corrente de gás de síntese condicionada é adequada para processos de conversão biológica direta, em que micro-organismos (como os micro-organismos descritos no presente documento) convertem diretamente um ou mais dentre Hr, CO e CO; em etanol, ácido acético, ácido butírico, butanol ou um outro produto de fermentação. Quando o gás de resíduo que compreende gás de síntese é reciclado, o gás de síntese recebe uma outra passagem para a conversão biológica em etanol ou um outro produto.

[043] Em algumas variações, conforme representado na Figura l1, pelo menos uma porção do gás de resíduo pode ser reciclada para a alimentação de fermentador, ou para uma etapa de remoção de CO; a montante da alimentação de fermentador ou para ambos desses locais. Quando uma unidade de remoção de CO, já está no lugar, a reciclagem para a mesma é particularmente vantajosa devido ao fato de que operações unitárias adicionais se tornam desnecessárias.

[044] Algumas variações da invenção têm como premissa a realização que as correntes de reciclagem podem ser ajustadas de modo que a geração de gás de síntese e o capital de demais equipamentos da usina por produto unitário produzido pode realmente diminuir. Ainda com referência à Figura l, RR; é a razão entre a reciclagem de gás de resíduo e a alimentação de fermentador dividida pelo fluxo de gás de resíduo total cada um em uma base de volume. R> é a razão entre a reciclagem de gás de resíduo e a unidade de remoção de gás ácido dividida pelo fluxo de gás de resíduo total, cada um em uma base de volume.

[045] As razões de reciclagem R; e R2 são número não negativo de 0 a 1. A soma de R; + R2 não pode exceder a unidade. Ri + R2 = 1 represente a reciclagem total do gás de resíduo, enquanto R; + R2 = O representa nenhuma reciclagem do gás de resíduo para quaisquer locais indicados na Figura 1. Por equilíbrio de massa, a fração de gás de resíduo que não é reciclada mais R; mais R7 precisa se igualar a 1.

[046] Ri pode ser selecionado a partir de diversos valores de 0 a cerca de 1, de preferência, de 0 a cerca de 0,5, e com mais preferência, de 0 a cerca de 0,2. R2 pode ser selecionado a partir de diversos valores de 0 a cerca de 1, de preferência, de cerca de 0,2 a cerca de 0,8, e com mais preferência, de cerca de 0,2 a cerca de 0,5. A soma Ri + R2 pode ser selecionada a partir de diversos valores maiores que O (por exemplo, 0,001 ou mais) a cerca de 1, de preferência de cerca de 0,2 a cerca de 0,8, e com mais preferência, de cerca de 0,25 a cerca de 0,5.

[047] R1 não deve ser igual ou próximo a um no estado estacionário, devido ao fato de que a reciclagem total de gás de resíduo de volta para o fermentador irá causar um acúmulo de CO7z, outros inertes, e gás de síntese. Entretanto, em certas situações dinâmicas ou devido a problemas do equipamento (por exemplo, problemas com a unidade de combustão de gás de resíduo), é possível reciclar todo o gás de resíduo de volta para a alimentação de fermentador (R = 1) para alguma quantidade de tempo.

[048] Rº não deve também, em geral, ser igual ou próximo a um no estado estacionário, exceto pelo fato de que a unidade de remoção de gás ácido é funcionalmente projetada para também remover inertes (por exemplo, CH'a ou Nz) e qualquer outra coisa que precisa ser purgada em algum lugar do sistema. Novamente, em certas situações dinâmicas, é possível permitir a reciclagem total de gás de resíduo para a unidade de remoção de gás ácido de alguma quantidade de tempo. Essas situações dinâmicas poderiam incluir problemas de equipamento a jusante, problemas de disponibilidade com correntes de alimentação no processo, problemas de fermentação (por exemplo, uma fase estacionária em que a conversão de gás de síntese diminui significativamente), e assim por diante.

[049] As razões de reciclagem Ri e R2 podem ser submetidas a diversos meios de controle de processo de estado estacionário ou dinâmico. Conforme é conhecido, muitas estratégias de controle de retroalimentação e alimentação direta são possíveis. R e R7 podem ser independentemente definidos para controlar pontos para um estado estacionário desejado ou para um estado não estacionário conhecido ou desejado. Um versado na técnica de controle de processo também irá entender que a razão entre R; e R», derivados de R; e R> com o tempo, a razão entre os derivados temporais de R;1 e Ra, os derivados de variáveis de processo (como conversão de CO ou Hz, ou produtividade de etanol) com R1 e R2, e assim por diante, podem ser usadas em diversas estratégias de controle.

[050] A seguir estão exemplos de controle exemplificadores apenas e não devem ser interpretados como limitadores de forma alguma, ou como estando relacionados a quaisquer fundamentos particulares que são aplicados. Esses exemplos demonstram que Ri e/ou R2 podem ser definidos para variar ao longo do tempo ou em função de outras condições no processo.

[051] Em algumas modalidades, R' e/ou R, são ajustados continuamente, ou pelo menos dinamicamente (por exemplo, periódica ou intermitentemente), em resposta a um ou mais parâmetros a montante como tipo de matéria-prima, perfil de oxidante, desempenho ou projeto de geração de gás de síntese, desempenho ou projeto de limpeza de gás de síntese ou desempenho ou projeto de remoção de gás ácido.

[052] Em algumas modalidades, Ri e/ou R, são ajustados continuamente, ou pelo menos dinamicamente (por exemplo, periódica ou intermitentemente), em resposta a um ou mais parâmetros de fermentador como temperatura, pressão, tempo de permanência, pH, potencial redox, concentração de nutriente, viabilidade ou vitalidade de micro-organismo, e assim por diante.

[053] Em algumas modalidades, Ri e/ou R, são ajustados a uma ou mais variáveis de desempenho ou projeto de fermentador como conversão de CO, conversão de Ho, conversão de CO;7, seletividade de etanol, produtividade de etanol, título de etanol ou seletividade de ácido acético. Tal ajuste pode ser em combinação com uma resposta a parâmetro de fermentador, como aqueles listados acima.

[054] Certas modalidades ajustam Ri e/ou R> para alterar ou otimizar o teor de CO, na alimentação de fermentador. O nível de COrz na alimentação de fermentador pode ser variado, mediante o ajuste de R; e/ou Ro, a cerca de 5 a 50% em volume de CO;, como cerca de 10 a 40% em volume de CO> ou cerca de 20 a 30% em volume de CO;. Certas modalidades aumentam R2, em relação a Ri, de modo que mais CO; possa ser removido na etapa de remoção de gás ácido e diminua o nível de CO2 na alimentação de fermentador.

[055] Algumas modalidades ajustam Ri; e/ou Rº para alterar ou otimizar a razão molar entre gás de síntese e gás ácido, (CO + H>)/(CO2 + HoS), em um ou mais pontos no processo. Certas modalidades preferenciais ajustam Ri e/ou R> para alterar ou otimizar a razão molar entre gás de síntese e gás ácido, (CO + H>)/(COr + HS), na corrente de alimentação que entra no fermentador. A razão molar entre gás de síntese e gás ácido que entra no fermentador pode ser variada, mediante o ajuste de R; e/ou Ro, entre cerca de 2 a cerca de 10 ou mais, como cerca de 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 ou 20.

[056] A alimentação de gás de síntese para o fermentador é tipicamente em uma pressão mais alta que a pressão de gás de resíduo. A razão é que as operações a montante (gaseificação e remoção de gás ácido) favorece, em geral, pressões mais altas em comparação com a fermentação. Por exemplo, a pressão de alimentação para o fermentador pode ser de cerca de 2 a 40 barg, enquanto a pressão do gás de resíduo pode ser de cerca de 0,1 a 2 barg (normalmente não maior que 1 barg). A fim de reciclar uma corrente de gás para um ponto a montante que é em pressão mais alta, a pressão da corrente de gás que é reciclado precisa ser aumentada. Em vez de remover CO7r do gás de resíduo, comprimir o restante, e, então, reciclar o mesmo de volta para o fermentador, esta invenção contempla a reciclagem de alguma porção do gás de resíduo e a compressão do mesmo, sem de outro modo separar seus componentes. Isto é, uma “porção” da corrente de gás de resíduo nesse contexto se refere a um fluxo dividido apenas, por algum meio de divisão de fluxo (por exemplo, válvulas) - não um componente dividido por algum meio de separação.

[057] Na Figura l, o gás de resíduo reciclado é comprimido a montante da divisão de R /R. Em outras modalidades, o gás de resíduo reciclado pode ser dividido em duas ou mais correntes de reciclagem e, então, cada uma dessas correntes comprimidas. Embora isso acrescente algum custo, permite o ajuste do aumento de pressão nas correntes de reciclagem individualmente, se for desejado.

[058] A quantidade de compressão pode ser variada, mas a pressão de uma corrente de reciclagem deve ser pelo menos elevada a uma pressão suficiente para permitir sua introdução na corrente (ou correntes) de interesse. É possível comprimir o gás de resíduo reciclado, particularmente quando reciclado de volta para a unidade de remoção de gás ácido, de modo que a pressão da corrente combinada seja realmente aumentada. Isso iria acrescentar custos operacionais mas pode aprimorar a remoção de CO>;.

[059] Em algumas modalidades, a conversão de gás de Síntese é de cerca de 90 a 98% (conversão molar de CO e Ho). À conversão de gás de síntese pode ser influenciada por vários fatores, incluindo os níveis de inertes na corrente de gás de síntese condicionada, e as condições de fermentador, como temperatura, pH, mistura e transferência de massa, a presença de micro-organismos competitivos, e assim por diante. Em algumas modalidades, a conversão de gás de síntese é de 90 a 98% mediante a reciclagem de gás de resíduo conforme descrito no presente, e menos que 90% (como apenas 75 a 85%) sem reciclagem de gás de resíduo, sendo que todos os outros fatores são mantidos constantes. De preferência, a conversão de gás de síntese é cerca de 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 ou mais pontos de porcentagem maior mediante a implantação de um ou mais dos métodos de reciclagem mostrados no presente documento.

[060] A conversão de gás de síntese geral maior irá significar que o gás de resíduo contém menos do gás de síntese inicialmente gerado. Em algumas modalidades com a reciclagem de gás de resíduo, o gás de resíduo contém cerca de 2% a cerca de 10% do gás de síntese contido na corrente de gás de síntese bruta; enquanto, sem a reciclagem de gás de resíduo (Ri, Re = 0), o gás de resíduo contém cerca de 10% a cerca de 25% do gás de síntese contido na corrente de gás de síntese bruta. A concentração de gás de síntese e teor de energia da corrente de gás de resíduo não é necessariamente menor quando a reciclagem de gás de resíduo é empregada, devido ao fato de que CO, pode ser removido da etapa de remoção de gás ácido. A taxa de fluxo de gás de resíduo não reciclado pode ser reduzida, em algumas modalidades.

[061] As conversões de gás de síntese maiores se traduzirão em rendimentos mais altos de produtos de interesse, como etanol, devido ao fato de que não se espera que a seletividade de produto diminua com o uso dessas estratégias de reciclagem. A seletividade de produto pode realmente se aprimorar quando menos CO; é alimentado para o fermentador aumentando adicionalmente o rendimento do produto.

[062] As Figuras 2 a 4 são fornecidas para indicar outras variações da invenção. Na Figura 2, a matéria-prima carbonácea é biomassa, o oxidante é ar enriquecido com oxigênio, e o produto de interesse é etanol. Na Figura 3, existe reciclagem de alguma parte do gás de resíduo para o fermentador, mas nenhuma reciclagem para a unidade de remoção de gás ácido (R7 = 0). Na Figura 4, existe reciclagem de alguma parte do gás de resíduo para a unidade de remoção de gás ácido, mas nenhuma reciclagem para o fermentador (R;' = 0). Todos os outros aspectos dessas configurações podem ser selecionados ou caracterizados conforme descrito com referência à Figura 1 no presente documento.

[063] A etapa ou unidade de geração de gás de síntese pode ser selecionada a partir de qualquer meio conhecido, como um gaseificador. O gaseificador poderia ser, mas não se limita a, um leito fluidizado. Qualquer meio conhecido para desvolatilização ou gaseificação pode ser empregado. Em variações, o tipo de gaseificador pode ser escória de fluxo arrastado, não escória de fluxo arrastado, transporte, leito fluidizado de borbulhamento, leito fluidizado de circulação ou leito fixo. Algumas modalidades empregam catalisadores de gaseificação conhecidos. “Gaseificação” e “desvolatilização” se referem, em geral, no presente documento à geração reativa de uma mistura de pelo menos CO, CO; e Hx, com o uso de oxigênio, ar e/ou vapor como o oxidante (ou oxidantes).

[064] Se a gaseificação for incompleta, uma corrente de sólido pode ser gerada, que contém alguma parte do carbono inicialmente no material de alimentação. A corrente de sólido produzida a partir da etapa de gaseificação pode incluir cinzas, metais, carvão não reagido e alcatrões refratários não reagidos e espécies poliméricas. De modo geral, as matérias- primas, como biomassa, contêm espécies não voláteis, incluindo sílica e diversos metais, que não são prontamente liberados durante a pirólise, desvolatilização ou gaseificação. Certamente, é possível usar matérias-primas isentas de cinzas, em tal caso, não devem existir quantidades substanciais de cinzas na corrente de sólido a partir da etapa de gaseificação.

[065] Quando um gaseificador de leito fluidizado é empregado como a unidade de desvolatilização, a matéria-prima pode ser introduzida em um leito de areia quente fluidizado por um gás. A referência no presente documento à “areia” também deve incluir materiais similares substancialmente inertes,

como partículas de vidro, partículas de cinza recuperadas e similares. As taxas de transferência de calor altas a partir da areia fluidizada podem resultar no aquecimento rápido da matéria-prima. Pode existir alguma ablação por atrito com as partículas de areia. O calor é normalmente fornecido por tubos de trocador de calor através dos quais o gás de combustão quente flui.

[066] Os reatores de leito fluidizado de circulação podem ser empregados como a unidade de desvolatilização, em que o gás, areia e matéria-prima se movem em conjunto. Os gases de transporte exemplificadores incluem gás de produto recirculado, gás de combustão ou gás de reciclagem. As taxas de transferência de calor altas a partir da areia asseguram o aquecimento rápido da matéria-prima, e espera-se que a ablação seja mais forte que com os leitos fluidizados regulares. Um separador pode ser empregado para separar os gases de produto das partículas de carvão e areia. As partículas de areia podem ser reaquecidas em um vaso queimador fluidizado e recicladas para o reator.

[067] Em algumas modalidades em que um reator de leito fixo contracorrente é usado como o gaseificador, o reator consiste em um leito fixo de uma matéria-prima através do qual um agente de gaseificação (como vapor, oxigênio e/ou gás de reciclagem) flui na configuração contracorrente. As cinzas são removidas secas ou como uma escória.

[068] Em algumas modalidades em que um reator de leito fixo cocorrente é usado como o gaseificador, o reator é similar ao tipo contracorrente, mas o gás de agente de gaseificação flui na configuração cocorrente com a matéria- prima. O calor é adicionado à parte superior do leito, por meio da combustão de quantidades pequenas da matéria-prima ou a partir de fontes de calor externas. O gás produzido deixa o reator em uma temperatura alta, e grande parte desse calor é transferida para o agente de gaseificação adicionado no topo do leito, resultando em boa eficiência energética. Uma vez que os alcatrões passam através de um leito quente de carvão nessa configuração, espera-se que os níveis de alcatrão sejam menores que com o uso do tipo contracorrente.

[069] Em algumas modalidades em que um reator de leito fluidizado é usado como o gaseificador, a matéria-prima é fluidizada em gás de reciclagem, oxigênio, ar e/ou vapor. As cinzas são removidas secas ou como aglomerados pesados que desfluidizam. A reciclagem ou combustão subsequente de sólidos pode ser usada para aumentar a conversão. Os reatores de leito fluidizado são úteis para matérias-primas que formam cinzas altamente corrosivas que danificariam as paredes dos reatores de escória.

[070] O agente de fluidização primário para um gaseificador de leito fluidizado pode ser gás de reciclagem, possivelmente incluindo uma porção do gás de resíduo de fermentador. Devido às características de transferência de calor alta de um leito fluidizado, o gás de reciclagem resfria e libera uma porção de seu calor sensível para as partículas de matéria-prima que contêm carbono. Com o uso de gás de reciclagem quente para fluidizar um leito de partículas de biomassa entrantes leva à eficiência energética geral aprimorada.

[071] Em algumas modalidades em que um reator de fluxo arrastado é usado como o gaseificador, o carvão é gaseificado com oxigênio, ar ou gás de reciclagem no fluxo de cocorrente. As reações de gaseificação ocorrem em uma nuvem densa de partículas muito finas. As temperaturas altas podem ser empregadas, fornecendo assim quantidades pequenas de alcatrão e metano no gás de produto.

[072] Os reatores de fluxo arrastado removem a maior parte das cinzas como uma escória, à medida que a temperatura de operação é tipicamente bem acima da temperatura de fusão de cinzas. Uma fração menor das cinzas é produzida como uma cinza volante seca muito fina ou como uma pasta fluida de cinza volante. Algumas matérias-primas, em particular certos tipos de biomassa, podem formar escória que é corrosiva. Certos reatores de leito arrastado têm uma parede interna refrigerada a água ou a vapor coberta com escória parcialmente solidificada.

[073] Em certas modalidades, a configuração de processo inclui adicionalmente um reformador disposto entre o gaseificador e a etapa opcional de limpeza de gás de síntese ou a etapa de remoção de gás ácido. O reformador pode ser empregado para converter ou craquear alcatrões e metano para produzir gás de síntese adicional, em algumas modalidades, opcionalmente com um catalisador de reforma.

[074] O reformador opcional, que pode ser considerado como dentro da unidade de geração de gás de síntese das Figuras 1 a 4, é qualquer reator com capacidade de causar pelo menos uma reação química que produz gás de síntese. Os reformadores de vapor convencionais, bem conhecidos na técnica, podem ser usados com ou sem um catalisador. Outras possibilidades incluem reformadores autotérmicos, reatores de oxidação parcial e reatores de vários estágios que combinam vários mecanismos de reação (por exemplo, oxidação parcial seguido de deslocamento de água-gás). A configuração de reator pode ser um leito fixo, um leito fluidizado, uma pluralidade de microcanais ou alguma outra configuração.

[075] O calor pode ser fornecido ao reator de reformador de várias maneiras, incluindo, por exemplo, por reações de oxidação que resultam do oxigênio adicionado ao processo. Em algumas modalidades, um reator de oxidação parcial de queima direta é empregado, em que tanto o oxigênio como o combustível são injetados diretamente no reator para fornecer calor e auxiliar nas reações de reforma e craqueamento.

[076] O reformador pode incluir oxidação parcial homogênea (não catalisada), oxidação parcial catalítica ou ambas. As reações de reforma a vapor também podem ser catalisadas. Os catalisadores de reforma e/ou oxidação parcial incluem, porém sem limitação, níquel, óxido de níquel, ligas de níquel, ródio, rutênio, irídio, paládio e platina. Tais catalisadores podem ser revestidos ou depositados em um ou mais materiais de suporte, como, por exemplo, gama-alumina (opcionalmente dopada com um elemento estabilizante, como magnésio, lantânio ou bário).

[077] Quando um reformador é empregado, a câmara de gaseificador pode ser projetada, por meio da configuração adequada do bordo livre ou uso de ciclones internos, para manter a transferência de sólidos para o reformador a jusante em um nível adequado para a recuperação de calor a jusante do reformador. O carvão não reagido pode ser retirado do fundo da câmara de desvolatilização, resfriado e, então, alimentado a um ebulidor de serviço público para recuperar o valor de aquecimento restante dessa corrente.

[078] A unidade de limpeza de gás de síntese não é particularmente limitada em seu projeto. As unidades de limpeza de gás de síntese exemplificadoras incluem ciclones, centrífugas, filtros, membranas, sistemas à base de solvente e outros meios de remover — particulados e/ou outros contaminantes específicos.

[079] A unidade de remoção de gás ácido também não é particularmente limitada e pode ser qualquer meio conhecido na técnica para remover pelo menos CO, a partir de gás de síntese. Os exemplos incluem a remoção de CO; com um ou mais solventes para COr ou a remoção de CO>, por uma unidade de adsorção com oscilação de pressão. Os solventes adequados para remoção de gás ácido à base de solvente reativo incluem monoetanolamina, dietanolamina, metildietanolamina, diisopropilamina e aminoetoxietanol. Os solventes adequados para remoção de gás ácido à base de solvente físico incluem éteres dimetílicos de polietilenoglicol (como no processo Selexol6) e metanol refrigerado (como no processo Rectisol&6).

[080] A bioconversão de CO ou H7/COrs em ácido acético, etanol ou outros produtos é bem conhecida. Por exemplo, as vias bioquímicas do gás de síntese e a energia de tais bioconversões são resumidas por Das e Ljungdahl, “Electron Transport System in Acetogens” e por Drake e Kusel, “Diverse Physiologic Potential of Acetogens”, aparecendo respectivamente como Capítulos 14 e 13 de Biochemistry and Physiology of Anaerobic Bacteria, L. G. Ljungdahl eds., Springer (2003).

[081] Pode ser usado qualquer micro-organismo adequado que tenha a capacidade de converter CO, H> ou CO>z, individualmente ou em combinação um com o outro ou com outros componentes que estão tipicamente presentes em gás de síntese.

A capacidade de micro-organismos para crescer em CO como sua única fonte de carbono foi primeiramente descoberta há mais de cem anos. Foi demonstrado que um grande número de organismos anaeróbicos, incluindo organismos carboxidotróficos, fotossintéticos, metanogênicos e acetogênicos, metaboliza CO em vários produtos finais.

[082] As bactérias anaeróbicas, como aquelas do gênero Clostridium, foram demonstradas como produzindo etanol a partir de CO, H>7 ou CO7 através da via bioquímica de acetil CoA. Por exemplo, várias cepas de Clostridium ljungdahlii que produzem etanol a partir de gases são descritas nas Patentes U.S. nº 5.173.429, 5.593.886 e 6.368.819. A bactéria Clostridium autoethanogenun sp também é conhecida como produzindo etanol a partir de gases (Aribini et al., Archives of Microbiology 161, páginas 345 a 351 (1994)).

[083] De modo geral, os micro-organismos adequados para a fermentação de gás de síntese no contexto da presente invenção podem ser selecionados a partir de muitos gêneros incluindo Clostridium, Moorella, Carboxydothermus, Acetogenium, Acetobacterium, Butyribacterium, Peptostreptococcus e Geobacter. As espécies de micro-organismo adequadas para a fermentação de gás de síntese nesta invenção podem ser selecionadas a partir de Clostridium ljungdahli, Clostridium autoethanogenum, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxidivorans, Butyribacterium methylotrophicum, Eurobacterium limosum e variações geneticamente modificadas, mutantes ou evoluídas das mesmas Os micro-organismos que são manipulados, criados ou fornecidos no futuro serão aplicáveis à presente invenção, desde que tais novos micro-organismos possam converter um ou mais de CO, H,

ou CO, em um produto de interesse.

[084] Um micro-organismo selecionado pode ser cultivado, pelo menos até certo ponto, no próprio fermentador (crescimento e produção simultâneos) ou pode ser cultivado em um vaso ou trem de crescimento separado. Quando o crescimento celular separado é usado, as células de micro-organismo podem ser cultivadas a partir de qualquer substrato de carbono, que poderia ser gás de síntese, mas também poderia ser vários açúcares, como glicose, galactose, arabinose, xilose, manose e outros açúcares Cs ou Cr.

[085] O fermentador, ou pluralidade de fermentadores (em série ou paralelo), não é particularmente limitado, mas geralmente será selecionado a partir de um reator agitado mecanicamente, uma coluna de bolhas, uma coluna compactada, uma coluna de placas, uma coluna de placa, uma coluna de aspersão, um reator de elevação de gás e um reator de membrana. Em algumas modalidades, a reciclagem interna de gás ou líquido é usada para adicionar transferência de massa dentro do fermentador. Os tensoativos, cossolventes de água e microbolhas podem ser todos usados em várias modalidades para intensificar a mistura e a transferência de massa.

[086] Em certas modalidades, a reciclagem de gás de resíduo aprimora a transferência de massa dentro do fermentador. Em certas modalidades, a reciclagem de gás de resíduo comprimido aumenta a pressão dentro do fermentador permitindo, assim, que mais gás de síntese entre na fase líquida para a bioconversão.

[087] Algumas modalidades empregam reciclagem de células de volta para o fermentador. Algumas modalidades empregam reciclagem de células, ou lama de fermentação, de volta para o gaseificador. A reciclagem de lama permite a conversão de micro-organismos usados de volta para gás de síntese.

[088] A técnica mecânica necessária para implantar as correntes de reciclagem de gás de resíduo está bem estabelecida. Com referência à Figura 1, que não é limitadora, é necessário um divisor de fluxo na corrente de gás de resíduo, pelo menos um compressor, um divisor de fluxo para ajustar Ri e Rz e tubos e válvulas adequados.

[089] O compressor não é limitado, mas deve ser um dispositivo mecânico que aumenta a pressão do gás de resíduo, reduzindo seu volume. Os compressores adequados incluem compressores centrífugos, compressores diagonais, compressores de fluxo axial, compressores reciprocantes, compressores de parafuso giratório, compressores de palhetas giratórias, compressores de voluta e compressores de diafragma.

[090] Os métodos e aparelhos da invenção podem acomodar uma ampla gama de matérias-primas de vários tipos, tamanhos e teores de umidade. “Biomassa”, para os fins da presente invenção, é qualquer material não derivado de recursos fósseis e que compreende pelo menos carbono, hidrogênio e oxigênio. A biomassa inclui, por exemplo, materiais vegetais e derivados de planta, vegetação, resíduos agrícolas, resíduos florestais, resíduos de madeira, resíduos de papel, resíduos de origem animal, resíduos derivados de aves e resíduos sólidos municipais. Outras matérias-primas exemplificadoras incluem celulose, hidrocarbonetos, carboidratos ou derivados dos mesmos e carvão vegetal.

[091] Em várias modalidades da invenção que usam biomassa, a matéria-prima de biomassa pode incluir um ou mais materiais selecionados a partir de: resíduos de colheita de madeira, lascas de madeira macia, lascas de madeira dura, galhos de árvores, troncos de árvores, folhas, casca, serragem, polpa de papel fora de especificação, milho, restolho de milho, palha de trigo, palha de arroz, bagaço de cana de açúcar, capim, miscanthus, estrume animal, lixo municipal, esgoto municipal, resíduos “comerciais, pedra-pomes, cascas de amêndoa, cascas de nozes, cascas de coco, borra de café, péletes de grama, péletes de feno, péletes de madeira, papelão, papel, plástico e tecido.

[092] A presente invenção também pode ser usada para matérias-primas que contêm carbono além da biomassa, como combustível fóssil (por exemplo, carvão ou coque de petróleo) ou qualquer mistura de biomassa e combustíveis fósseis. Para evitar dúvidas, qualquer método, aparelho ou sistema aqui descrito pode ser usado com qualquer matéria-prima carbonácea.

[093] A seleção de uma matéria-prima ou matérias- primas particulares não é considerada tecnicamente crítica, mas é realizada de uma maneira que tende a favorecer um processo econômico. Tipicamente, independentemente das matérias-primas escolhidas, existe uma triagem para remover materiais indesejáveis. A matéria-prima pode opcionalmente ser seca antes do processamento. Opcionalmente, a redução do tamanho de partícula pode ser empregada antes da conversão da matéria-prima em gás de síntese. O tamanho de partícula não é, no entanto, considerado crítico para a invenção.

[094] Quando múltiplas matérias-primas são usadas (por exemplo, misturas de biomassa-carvão), as mesmas podem ser usadas em qualquer razão e podem ser introduzidas no mesmo local ou em locais diferentes. Será entendido que a seleção específica de razões e matéria-prima pode ser influenciada por muitos fatores, incluindo economia (preços e disponibilidade de matéria-prima), otimização de processo (dependendo de perfis de composição de matéria-prima), otimização de utilidade, otimização de equipamentos e assim por diante.

[095] Uma variedade de temperaturas de operação, pressões, taxas de fluxo e tempos de permanência pode ser empregada para cada operação unitária das Figuras 1 a 4 ou outras variações da invenção. Conforme é conhecido por um versado na técnica, as condições ideais para cada unidade serão influenciadas pelas condições de outras unidades.

[096] Algumas modalidades da invenção se referem à integração com o equilíbrio energético da usina. O ciclo (ou ciclos) de reciclagem, conforme descrito, pode ser implantado para controlar a conversão de gás de síntese em etanol, ajustando-se a uma demanda de energia dinâmica ou em estado estacionário de gás de síntese como uma fonte de energia. Esta invenção permite o ajuste em tempo real de como o gás de síntese é usado no processo geral, intensificando, assim, a eficiência e a economia da usina.

[097] Em geral, as correntes de sólido, líquido e gás produzidas ou existentes dentro do processo podem ser independentemente passadas para etapas subsequentes ou removidas/purgadas do processo em qualquer ponto. Além disso, qualquer uma das correntes ou materiais presentes pode ser submetida a processamento adicional, incluindo adição ou remoção de calor, adição ou remoção de massa, mistura, várias medições e amostragens, e assim por diante.

[098] Nesta descrição detalhada, foi feita referência a múltiplas modalidades da invenção e a exemplos não limitantes relacionados a como a invenção pode ser entendida e praticada. Outras modalidades que não fornecem todos os recursos e as vantagens apresentadas no presente documento podem ser utilizadas, sem se afastar do espírito e do escopo da presente invenção. Esta invenção incorpora a experimentação e a otimização de rotina dos métodos e dos sistemas descritos no presente documento. Tais modificações e variações são consideradas como parte do escopo da invenção definido pelas reivindicações.

[099] Todas as publicações, as patentes e os pedidos de patente citados neste relatório descritivo estão incorporados no presente a título de referência como se cada publicação, patente ou pedido de patente for apresentado específica e individualmente no presente documento.

[100] Nos casos em que os métodos e as etapas descritos acima indicam determinados eventos que ocorrem em determinada ordem, as pessoas versadas na técnica irão reconhecer que a ordem de determinadas etapas pode ser modificada e que tais modificações estão de acordo com as variações da invenção. Adicionalmente, determinadas etapas podem ser realizadas concomitantemente em um processo paralelo quando possível, assim como realizadas sequencialmente.

[101] Portanto, à medida em que há variações da invenção, as quais estão abrangidas pelo espírito da revelação ou pelos equivalentes das invenções reveladas nas reivindicações anexas, esta patente é destinada a também abranger essas variações. A presente invenção deve ser limitada apenas pelo que é reivindicado.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. MÉTODO DE CONVERSÃO DE UMA MATÉRIA-PRIMA CARBONÁCEA EM UM PRODUTO DE FERMENTAÇÃO DE GÁS DE SÍNTESE, sendo que o dito método é caracterizado por compreender: (a) introduzir uma matéria-prima carbonácea e um oxidante em um gaseificador, sob condições de gasificação adequadas para produzir uma corrente de gás de síntese bruta que compreende CO, H7; e CO;z; (b) fornecer opcionalmente pelo menos uma porção da dita corrente de gás de síntese bruta para uma unidade de limpeza de gás de síntese, para produzir uma corrente de gás de síntese intermediária; (c) fornecer pelo menos uma porção da dita corrente de gás de síntese bruta e/ou pelo menos uma porção da dita corrente de gás de síntese intermediária, caso presente, para uma unidade de remoção de gás ácido, para remover pelo menos alguma parte do dito CO; e produzir uma corrente de gás de síntese condicionada; (d) fornecer pelo menos uma porção da dita corrente de gás de síntese condicionada a um fermentador, sob condições de fermentação adequadas e na presença de micro- organismos e nutrientes adequados para converter biologicamente um ou mais dentre CO, H> ou CO; em um produto de fermentação de gás de síntese; (e) capturar um gás de resíduo de uma saída do dito fermentador, em que o dito gás de resíduo compreende pelo menos CO; e CO ou Hr convertido; (f£) reciclar uma primeira quantidade do dito gás de resíduo para o dito fermentador em uma quantidade descrita por Ri, a razão volumétrica da dita primeira quantidade para o dito gás de resíduo, em que Ri é selecionado dentre O e l1; e (g) reciclar uma segunda quantidade do dito gás de resíduo para a dita unidade de remoção de gás ácido em uma quantidade descrita por R»%, a razão volumétrica da dita segunda quantidade para o dito gás de resíduo, em que R2 é selecionado dentre 0 e 1, em que R; + R7 é maior que 0; e em que R; + R2 não é maior que 1.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela matéria-prima carbonácea compreender biomassa.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo oxidante compreender um ou mais dentre ar, oxigênio e vapor.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito gaseificador ser um gaseificador de leito fluidizado.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender fornecer pelo menos uma porção da dita corrente de gás de síntese bruta a uma unidade de limpeza de gás de síntese, para produzir uma corrente de gás de síntese intermediária.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela dita unidade de remoção de gás ácido remover adicionalmente pelo menos algum H7S, caso presente.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela dita primeira quantidade do dito gás de resíduo ser comprimida antes de ser reciclada para o dito fermentador.

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela dita segunda quantidade do dito gás de resíduo ser comprimida antes de ser reciclada para a dita unidade de remoção de gás ácido.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela dita primeira quantidade e a dita segunda quantidade do dito gás de resíduo são separadamente comprimidas antes de serem recicladas para o dito fermentador e para a dita unidade de remoção de gás ácido, respectivamente.

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, sendo que o dito método é caracterizado por compreender uma estratégia de controle de reciclagem de gás de resíduo para responder a um ou mais parâmetros a montante selecionados a partir do grupo que consiste no tipo de matéria-prima, perfil de oxidante, projeto ou desempenho de geração de gás de síntese, projeto ou desempenho de limpeza de gás de síntese e projeto ou desempenho de remoção de gás ácido.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, sendo que o dito método é caracterizado por compreender uma estratégia de controle de reciclagem de gás de resíduo para responder a um ou mais parâmetros de fermentador selecionados a partir do grupo que consiste em temperatura, pressão, tempo de permanência, pH, potencial redox, concentração de nutriente, viabilidade celular e vitalidade celular.

12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, sendo que o método é caracterizado por compreender uma estratégia de controle de reciclagem de gás de resíduo para responder a uma ou mais variáveis de fermentador selecionadas a partir do grupo que consiste em conversão de CO, conversão de H;,

conversão de CO;, seletividade de etanol, produtividade de etanol, título de etanol e seletividade de ácido acético.

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, sendo que o método é caracterizado por compreender uma estratégia de controle de reciclagem de gás de resíduo para controlar o teor de CO; na alimentação ao dito fermentador.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, sendo que o método é caracterizado por compreender uma estratégia de controle de reciclagem de gás de resíduo para controlar a razão molar de gás ácido, (CO + H>)/(COr + HS), na alimentação ao dito fermentador.

15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela reciclagem de gás de resíduo comprimida aumentar a pressão dentro do dito fermentador permitindo, desse modo, que mais gás de síntese entre na fase líquida para bioconversão.

16. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente um reformador disposto entre o dito gaseificador e a dita etapa de remoção de gás ácido.

17. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente reciclar células do dito fermentador de volta para o dito gaseificador.

18. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela conversão total de CO e H, é pelo menos cinco pontos percentuais maior que a conversão total de CO e Hr que é obtida em um método comparável com Ri e Ro, ambos iguais a O.

19. APARELHO PARA CONVERTER UMA MATÉRIA-PRIMA CARBONÁCEA, em um produto de fermentação de gás de síntese,

sendo que o dito aparelho é caracterizado por compreender: (a) um gaseificador para gasificar uma matéria- prima carbonácea com um oxidante, para produzir uma corrente de gás de síntese bruta que compreende CO, H e CO>;; (b) uma unidade de limpeza de gás de síntese opcional em comunicação com o dito gaseificador, para produzir uma corrente de gás de síntese intermediária de pelo menos uma porção da dita corrente de gás de síntese bruta; (cc) uma unidade de remoção de gás ácido em comunicação com a dita unidade de limpeza de gás de síntese, caso presente; ou em comunicação com o dito gaseificador, se nenhuma unidade de limpeza de gás de síntese estiver presente; para remover pelo menos alguma parte do dito CO; e produzir uma corrente de gás de síntese condicionada; (d) um fermentador em comunicação com a dita unidade de remoção de gás ácido, para converter biologicamente um ou mais de CO, H> ou CO, em um produto de fermentação de gás de síntese; (e) um conduto de gás de resíduo em comunicação com o dito fermentador; e (f) um conduto de reciclagem em comunicação com o dito conduto de gás de resíduo para reciclar o gás de resíduo para o dito fermentador.

20. APARELHO, sendo que o dito aparelho é caracterizado por compreender: (a) um gaseificador para gasificar uma matéria- prima carbonácea com um oxidante, para produzir uma corrente de gás de síntese bruta que compreende CO, H e CO>;; (b) uma unidade de limpeza de gás de síntese opcional em comunicação com o dito gaseificador, para produzir uma corrente de gás de síntese intermediária de pelo menos uma porção da dita corrente de gás de síntese bruta;

(cc) uma unidade de remoção de gás ácido em comunicação com a dita unidade de limpeza de gás de síntese, caso presente; ou em comunicação com o dito gaseificador, se nenhuma unidade de limpeza de gás de síntese estiver presente; para remover pelo menos alguma parte do dito CO; e produzir uma corrente de gás de síntese condicionada;

(d) um fermentador em comunicação com a dita unidade de remoção de gás ácido, para converter biologicamente um ou mais de CO, H> ou CO, em um produto de fermentação de gás de síntese;

(e) um conduto de gás de resíduo em comunicação com o dito fermentador; e

(f£) um conduto de reciclagem em comunicação com o dito conduto de gás de resíduo para reciclar o gás de resíduo para a dita unidade de remoção de gás ácido.