BRPI1005896A2 - system for obtaining bioproducts - Google Patents

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BRPI1005896A2
BRPI1005896A2 BRPI1005896-6A BRPI1005896A BRPI1005896A2 BR PI1005896 A2 BRPI1005896 A2 BR PI1005896A2 BR PI1005896 A BRPI1005896 A BR PI1005896A BR PI1005896 A2 BRPI1005896 A2 BR PI1005896A2
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bioreactor
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BRPI1005896-6A
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Santa Anna Lidia Maria Melo
Freire Denise Maria Guimaraes
Araujo Kronemberger Frederico De
Borges Cristiano Piacsek
De Castro Aline Machado
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Petroleo Brasileiro Sa
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Abstract

SISTEMA PARA OBTENÇçO DE BIOPRODUTOS. A presente invenção trata de um sistema integrado para obtenção de bioprodutos em larga escala, particularmente biossurfactantes, açúcares, biocombustiveis e enzimas para a produção de biocombustíveis. O referido sistema compreende um biorreator que se integra a diferentes componentes em que são empregadas membranas especiais, as quais atendem, entre outros objetivos, a separação e o reciclo de células microbianas, garantem a esterilização dos meios de cultivo envolvidos no processo (sem prejuízo a componentes termolábeis), reduzem a formação de espuma (evitando, assim, a adição de antiespumantes que poderiam descaracterizar o produto), permitem concentrar os produtos de interesse e permitem reciclar correntes contento nutrientes não consumidos, bem como água, para o biorreator.SYSTEM FOR OBTAINING BIOPRODUCTS. The present invention is an integrated system for obtaining large scale bioproducts, particularly biosurfactants, sugars, biofuels and enzymes for biofuel production. Said system comprises a bioreactor that integrates with different components in which special membranes are employed, which serve, among other purposes, the separation and recycling of microbial cells, ensuring the sterilization of the culture media involved in the process (without prejudice to thermolabile components), reduce foaming (thus avoiding the addition of defoamers that could de-characterize the product), allow to concentrate the products of interest and allow to recycle streams containing unused nutrients as well as water to the bioreactor.

Description

SISTEMA PARA OBTENÇÃO DE BIOPRODUTOSBIOPRODUCTS SYSTEM

CAMPO DA INVENÇÃOFIELD OF INVENTION

A presente invenção trata de um sistema para obtenção de bioprodutos em larga escala, segundo o qual um biorreator é integrado a diferentes processos em que são utilizadas membranas especiais com o objetivo, entre outros, de separar as células microbianas, garantir a esterilização do meio de cultivo, reduzir a formação de espuma, concentrar os produtos de interesse e fornecer oxigênio para as células microbianas. Dentre esses produtos de interesse que podem ser obtidos com o sistema integrado encontram-se os biossurfactantes, biocombustíveis e enzimas para a produção de biocombustíveis. FUNDAMENTOS DA INVENÇÃOThe present invention relates to a system for obtaining large-scale bioproducts, whereby a bioreactor is integrated into different processes in which special membranes are used with the aim, among others, of separating microbial cells, ensuring sterilization of the medium. cultivation, reduce foaming, concentrate the products of interest and provide oxygen to the microbial cells. Among these products of interest that can be obtained with the integrated system are biosurfactants, biofuels and enzymes for biofuel production. BACKGROUND OF THE INVENTION

Biossurfactantes são compostos com propriedades tensoativas produzidos por via bioquímica utilizando-se linhagens microbianas, e que são capazes de melhorar a eficiência de remoção de determinados tipos de poluentes, como por exemplo, hidrocarbonetos provenientes do derramamento de petróleo e seus derivados. Estes hidrocarbonetos se agregam a componentes presentes no solo, dificultando sua remoção e causando sérios problemas ambientais. Na última década esses compostos biossurfactantes tornaram-seBiosurfactants are compounds with biologically produced surfactant properties using microbial strains, which are capable of improving the removal efficiency of certain types of pollutants, such as oil spills and their derivatives. These hydrocarbons aggregate with soil components, making their removal difficult and causing serious environmental problems. In the last decade these biosurfactant compounds have become

alvo de interesse das indústrias devido a permitirem uma variedade de aplicações e possibilidade de produção a baixo custo, dependendo da produtividade da cepa selecionada, da matéria-prima empregada e dos processos de purificação envolvidos. A maioria dos microorganismos produtores conhecidos necessita deindustries are of interest because they allow a variety of applications and low cost production possibilities, depending on the productivity of the selected strain, the raw material employed and the purification processes involved. Most known producer microorganisms need to be

condições aeróbicas para a produção eficiente desses tensoativos. Entretanto, a forma de se introduzir aeração no meio de cultivo, normalmente utilizando-se borbulhamento de oxigênio ou ar, pode levar à formação de grande quantidade de espuma. A técnica exige, portanto, o uso de controladores de espuma, em geral agentes antiespumantes, os quais contribuem no custo do produto final e na qualidade desse produto.aerobic conditions for the efficient production of these surfactants. However, introducing aeration into the culture medium, usually using oxygen or air bubbling, can lead to the formation of large amounts of foam. The technique therefore requires the use of foam controllers, generally defoaming agents, which contribute to the cost of the final product and the quality of that product.

Outro aspecto a ser considerado diz respeito à facilidade de contaminação dos equipamentos e materiais por microorganismos exógenos, face ao volume de produto a ser tratado quando se trabalha em larga escala. Todos os equipamentos precisam ser esterilizados antes e ao final de cada campanha produtiva, assim como os meios de cultivo que alimentam ao biorreator.Another aspect to be considered is the ease of contamination of equipment and materials by exogenous microorganisms, given the volume of product to be treated when working on a large scale. All equipment must be sterilized before and at the end of each production campaign, as well as the bioreactor feed media.

Na maioria das situações a esterilização térmica não pode ser aplicada, pois poderia causar danos aos microorganismos ou provocar a degradação dos insumos. Uma das soluções que vem sendo empregada é o uso de membranas especiais, desenvolvidas para atender diferentes finalidades.In most situations thermal sterilization cannot be applied as it could cause damage to microorganisms or cause degradation of inputs. One of the solutions that has been employed is the use of special membranes, developed to serve different purposes.

TÉCNICA RELACIONADARELATED TECHNIQUE

De há muito utilizam-se membranas permeáveis em várias áreas dePermeable membranes have long been used in various areas of

aplicação. O aperfeiçoamento de tecnologias de separação de produtos adaptadas para emprego na área microbiológica encontra-se em franco desenvolvimento no mundo.application. Improvement of product separation technologies adapted for use in the microbiological field is in rapid development worldwide.

A literatura técnica especializada descreve o uso de membranas separadoras em diversas situações: cultivo e separação de células em processos fermentativos, separação de plasma sangüíneo, separação de enzimas e de proteínas, dentre outras.The specialized technical literature describes the use of separating membranes in several situations: cultivation and cell separation in fermentative processes, blood plasma separation, enzyme and protein separation, among others.

No pedido de patente brasileiro Pl 0418820 (Probiogen AG) descreve-se um biorreator e um método para cultivo e crescimento de células, em que as células a serem cultivadas estão situadas em membranas de filamento oco e são alternadamente colocadas em contato com uma fase líquida de meio nutriente e com uma fase gasosa, obtendo- se alta densidade de células.Brazilian patent application Pl 0418820 (Probiogen AG) describes a bioreactor and a method for culturing and growing cells, wherein the cells to be cultured are situated in hollow filament membranes and are alternately brought into contact with a liquid phase. nutrient medium and with a gaseous phase, obtaining high cell density.

A patente norte-americana US 7129082 (CSIR) ensina um método de cultivo de células vivas usando um biorreator que suporta uma matriz formada de um material de espuma porosa em cujo interior as células vivas são ancoradas; o suporte também contém um líquido carreador de oxigênio que satura os poros da matriz porosa. O líquido é um constituinte sintético ou semi-sintético que permeando a matriz libera oxigênio para as células e absorve dióxido de carbono das células.US 7129082 (CSIR) teaches a method of culturing living cells using a bioreactor that supports a matrix formed of a porous foam material into which living cells are anchored; The support also contains an oxygen carrier liquid that saturates the pores of the porous matrix. Liquid is a synthetic or semi-synthetic constituent that permeates the matrix releases oxygen to cells and absorbs carbon dioxide from cells.

O uso de unidades de microfiltração envolvendo membranas de fibras ocas para realizar a esterilização de linhas de processos de obtenção de bioprodutos foi proposto por Carneiro, L. e colaboradores — "Cold sterilization and clarification of pineapple juice by tangential microfiltration" - Desalination 148 (2002) 93-98.The use of microfiltration units involving hollow fiber membranes to perform the sterilization of bioproduction process lines has been proposed by Carneiro, L. et al. - Desalination 148 (2002) - Cold sterilization and clarification of pineapple juice by tangential microfiltration ) 93-98.

No pedido de patente brasileiro Pl 0405952 (Petrobras) descreve-se a obtenção de um biossurfactante e seu uso para a remediação de solos impactados por óleo. O biossurfactante é constituído do meio de cultura isento de células microbianas, resultante do cultivo de uma cepa de Pseudomonas aeruginosa isolada de ambiente de petróleo, produzindo ramnolipídeos por fermentação conduzida sob aeração realizada por difusão de oxigênio por membranas.Brazilian patent application Pl 0405952 (Petrobras) describes the obtaining of a biosurfactant and its use for the remediation of oil-impacted soils. The biosurfactant is constituted of the culture medium free of microbial cells, resulting from the cultivation of a strain of Pseudomonas aeruginosa isolated from petroleum environment, producing ramnolipids by fermentation conducted under membrane oxygen diffusion aeration.

No pedido de patente brasileiro Pl 0600449 (PoIymar) descreve-se um biorreator equipado com extração contínua utilizando membranas semipermeáveis confeccionadas de quitosana, permitindo contornar aspectos técnicos relevantes no que concerne à separação e concentração de produtos resultantes em biotransformações. O processo envolve três etapas: transformação microbiológica, separação por difusão osmótica e extração contínua através de extrator líquido-líquido acoplado ao sistema.In Brazilian patent application Pl 0600449 (PoIymar) a bioreactor equipped with continuous extraction using semi-permeable chitosan membranes is described, allowing to circumvent relevant technical aspects regarding the separation and concentration of products resulting in biotransformations. The process involves three steps: microbiological transformation, osmotic diffusion separation and continuous extraction through liquid-liquid extractor coupled to the system.

Em um contactor de membrana, a membrana de separação está completamente integrada com a operação de extração ou absorção, de modo a explorar inteiramente os benefícios de ambas as tecnologias. As aplicações que têm sido desenvolvidas podem ser tanto no tratamento de água como de gás. Alguns desenvolvimentos recentes introduzidos na indústria ensinam seu uso desde a remoção seletiva de metais pesados em banhos de processos galvânicos, passando pela recuperação de componentes orgânicos de água em processos da indústria química e também recuperação de amônia de correntes gasosas, evidenciando o amplo escopo de aplicação desses materiais - Klaassen, R. e colaboradores - "Membrane contactor applications" - Desalination 224 (2008) 81- 87.In a membrane contactor, the separation membrane is fully integrated with the extraction or absorption operation to fully exploit the benefits of both technologies. Applications that have been developed can be in both water and gas treatment. Some recent developments introduced in the industry teach its use from selective removal of heavy metals in galvanic process baths, through the recovery of organic water components in chemical industry processes and also ammonia recovery from gaseous streams, highlighting the wide scope of application. of these materials - Klaassen, R. and collaborators - "Membrane contactor applications" - Desalination 224 (2008) 81- 87.

Um dos problemas que precisa ser contornado em um bioprocesso é a formação de espuma. Quando se utiliza a técnica convencional por borbulhamento de ar ou oxigênio é necessário um controle rigoroso das condições de processo para que não se formem espumas estáveis. Para evitar o uso de agentes antiespumantes, que poderiam descaracterizar o produto e comprometer sua qualidade, o controle mais adequado pode ser feito por meio de um sistema de oxigenação dispersiva com o uso de contactores de membrana (Kronemberger e colaboradores - "Oxygen- controlled biosurfactant production in a bench scale bioreactor" - Applied Biochemistry and Biotechnology 147 (2008) 33-45. SUMÁRIO DA INVENÇÃOOne of the problems that needs to be overcome in a bioprocess is foaming. When using conventional air or oxygen bubbling technique, strict control of the process conditions is required so that stable foams are not formed. To avoid the use of defoaming agents that could de-characterize the product and compromise its quality, the most appropriate control can be done by means of a dispersive oxygenation system using membrane contactors (Kronemberger et al. "Oxygen-controlled biosurfactant"). production in a bench scale bioreactor "- Applied Biochemistry and Biotechnology 147 (2008) 33-45. SUMMARY OF THE INVENTION

A presente invenção trata de um sistema integrado para obtenção de bioprodutos em larga escala, particularmente biossurfactantes, biocombustíveis e enzimas para a produção de biocombustíveis. O referido sistema utiliza um biorreator integrado a diferentes processos que empregam membranas especiais, as quais atendem, dentre outros objetivos, à separação de células microbianas, à garantia de esterilização do meio de cultivo e dos equipamentos envolvidos no processo, à redução da formação de espuma, ao fornecimento de oxigênio para as células e à concentração dos produtos de interesse.The present invention is an integrated system for obtaining large scale bioproducts, particularly biosurfactants, biofuels and enzymes for biofuel production. This system uses a bioreactor integrated to different processes that employ special membranes, which serve, among other purposes, the separation of microbial cells, the sterilization of the culture medium and equipment involved in the process, the reduction of foam formation. , oxygen supply to the cells and concentration of the products of interest.

O sistema para obtenção em larga escala de bioprodutos compreende os seguintes componentes: - um biorreator (BR) integrado aos demais componentes; - um tanque de preparo (TQ1) do meio de cultivo, dotado de agitador mecânico, contendo os nutrientes necessários à manutenção dos microorganismos;The system for obtaining large scale bioproducts comprises the following components: - a bioreactor (BR) integrated with the other components; - a culture medium preparation tank (TQ1), equipped with a mechanical stirrer, containing the nutrients necessary for the maintenance of the microorganisms;

- um primeiro módulo de microfiltração por membranas (MF1), para garantir a alimentação do meio de cultivo esterilizado ao- a first membrane microfiltration module (MF1) to ensure sterile culture medium is fed to

biorreator;bioreactor;

- um segundo módulo de microfiltração por membranas (MF2), para separação de células de microorganismo após a fermentação;- a second membrane microfiltration module (MF2) for separating microorganism cells after fermentation;

- um módulo de oxigenação (OX), do tipo contactor de membranas na forma de fibra-oca;- a hollow fiber membrane contactor-type oxygenation module (OX);

- um módulo de osmose inversa (OI) para concentração de produto; dependendo do produto de interesse, pode ser utilizado, conjuntamente ou alternativamente a esse módulo, um módulo de uItrafiItração (UF);- a reverse osmosis (OI) module for product concentration; depending on the product of interest, a filtering module (UF) may be used together or alternatively with that module;

- um tanque de armazenamento de produto (TQ2);- a product storage tank (TQ2);

- linhas de fluxo interligando os componentes, todas providas com os meios de controle conectados a uma malha de controle (C) do processo.- flow lines connecting the components, all provided with control means connected to a process control loop (C).

Os módulos de microfiltração por membranas (MF1 e MF2) garantem a esterilização do sistema. A malha de controle (C) monitora a formação de espuma assim como as principais condições operacionais no biorreator, tais como pressão, temperatura e pH. BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURASMembrane microfiltration modules (MF1 and MF2) ensure system sterilization. The control loop (C) monitors foam formation as well as the major operating conditions in the bioreactor such as pressure, temperature and pH. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

A Figura 1 apresenta de forma esquemática o fluxograma do sistema objeto da presente invenção.Figure 1 shows schematically the flowchart of the system object of the present invention.

A Figura 2 apresenta esquematicamente o funcionamento do módulo de oxigenação do sistema objeto da invenção.Figure 2 schematically shows the operation of the oxygenation module of the system object of the invention.

A Figura 3 apresenta sob a forma de gráfico a produção de biossurfactantes ramnolipídeos, sob regime de batelada simples, de acordo com o sistema da presente invenção. A Figura 4 apresenta sob a forma de gráfico a produção de biossurfactantes ramnolipídeos, sob regime de batelada alimentada, de acordo com o sistema da presente invenção. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO Para que o sistema integrado para obtenção de bioprodutos possaFigure 3 graphically shows the production of single batch batch ramnolipid biosurfactants according to the system of the present invention. Figure 4 graphically shows the production of ramnolipid biosurfactants under fed batch regime according to the system of the present invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In order that the integrated system for obtaining bioproducts can

ser mais bem compreendido e avaliado, sua descrição detalhada será feita com fundamento nas Figuras que acompanham este relatório e dele é parte integrante.better understood and evaluated, its detailed description will be based on and accompanying the figures accompanying this report.

O sistema da presente invenção pode ser operado em regimes distintos, simples ou combinados: batelada simples, batelada alimentada, e contínuo, introduzindo-se pequenas adaptações na condução do processo quando necessário. Em linhas gerais, o sistema compreende um arranjo inédito de seus componentes, conforme mostrados na Figura 1 e descritos a seguir, em seus aspectos principais. Inicialmente, um meio de cultivo (1), contendo os nutrientesThe system of the present invention can be operated in distinct, single or combined regimes: single batch, fed batch, and continuous, introducing minor adaptations in the conduct of the process when required. Generally speaking, the system comprises an unprecedented arrangement of its components, as shown in Figure 1 and described below, in their main aspects. Initially, a culture medium (1) containing the nutrients

necessários à fermentação é preparado com água purificada por meio de microfiltração por membranas ou por osmose inversa antes de ser introduzida em um tanque de preparo (TQ1) dotado com agitador mecânico; só então o agitador mecânico é acionado. A seguir, este meio de cultivo é transferido para um biorreator (BR), por meio de uma bomba de transferência (não mostrada na figura), passando por um primeiro módulo de microfiltração por membranas (MF1) para ser esterilizado.required for fermentation is prepared with purified water by means of membrane microfiltration or reverse osmosis before being introduced into a preparation tank (TQ1) fitted with a mechanical stirrer; only then is the mechanical stirrer triggered. This culture medium is then transferred to a bioreactor (BR) by means of a transfer pump (not shown in the figure), passing through a first membrane microfiltration module (MF1) to be sterilized.

O biorreator (BR) também é dotado com agitador mecânico e possui uma camisa externa do tipo parede dupla, para a passagem de fluido térmico. Esse fluido térmico permite que a temperatura seja mantida constante durante o processo fermentativo, e também pode ser usado para esterilizar termicamente o biorreator, sem necessidade de injeção direta de vapor.The bioreactor (BR) is also equipped with a mechanical stirrer and has a double-walled outer jacket for the passage of thermal fluid. This thermal fluid allows the temperature to be kept constant during the fermentation process, and can also be used to thermally sterilize the bioreactor without the need for direct steam injection.

Uma quantidade de inóculo (2) é alimentada ao biorreator (BR), o qual opera sob pressão de até 2 kgf/cm2 e cujo controle é realizado por meio de malha de controle (C), atuando sobre duas válvulas de controle (não mostradas), em regime de "split-range" de adição e retirada de ar. A malha de controle (C) atua igualmente em instrumentos específicos, como por exemplo, analisadores de pH e de oxigênio dissolvido, transmissores de temperatura, de pressão, de nível de meio de cultivo e de nível de espuma, instalados nas linhas de fluxo que fazem parte do sistema; tais instrumentos servem para monitorar e controlar as condições reacionais. A corrente de saída (3) do biorreator é conduzida para um segundo módulo de microfiltração (MF2), ou para um módulo de oxigenação (OX). Depois de ser filtrada, a corrente de concentrado (5), rica em células de microorganismos, é realimentada ao biorreator (BR). Uma parte da corrente de permeado (4) isenta de células, deixa o segundo módulo de microfiltração (MF2), é conduzida ao módulo de oxigenação (OX) e posteriormente retorna ao biorreator (BR) como meio reacional (6). Outra parte (7) dessa corrente de permeado (4) segue para um tanque de armazenamento de produto (TQ2).An amount of inoculum (2) is fed to the bioreactor (BR), which operates under pressure up to 2 kgf / cm2 and which is controlled by means of a control loop (C) acting on two control valves (not shown). ), in split-range air addition and removal. The control loop (C) also acts on specific instruments such as pH and dissolved oxygen analyzers, temperature, pressure, media level and foam level transmitters installed on flow lines that are part of the system; Such instruments serve to monitor and control reaction conditions. The bioreactor output current (3) is fed to a second microfiltration module (MF2) or to an oxygenation module (OX). After filtration, the stream (5), rich in microorganism cells, is fed back to the bioreactor (BR). A portion of the cell-free permeate stream (4) leaves the second microfiltration module (MF2), is fed to the oxygenation module (OX) and then returned to the bioreactor (BR) as reaction medium (6). Another part (7) of this permeate stream (4) proceeds to a product storage tank (TQ2).

A microfiltração do meio reacional por membranas é de fundamental importância para o sistema, assim como a concentração das células de microorganismos por microfiltração e a concentração do produto por uItrafiItração ou osmose inversa, uma vez que constitui a garantia da esterilidade do produto, além de possibilitar diferentes configurações operacionais, como o processamento contínuo sem o descarregamento do biorreator ou ainda a operação com células em diferentes estágios metabólicos. Para garantir o bom desempenho dos módulos de microfiltração (MF1 e MF2), é previsto um sistema de retrolavagem, o qual é acionado periodicamente com o objetivo de evitar o entupimento das membranas.Membrane microfiltration of the reaction medium is of fundamental importance to the system, as is the concentration of microorganism cells by microfiltration and the concentration of the product by ultrafiltration or reverse osmosis, as it is a guarantee of product sterility and enables different operational configurations, such as continuous processing without bioreactor unloading or operation with cells at different metabolic stages. To ensure the good performance of the microfiltration modules (MF1 and MF2), a backwash system is provided, which is periodically operated to prevent clogging of the membranes.

O módulo de oxigenação (OX), do tipo contactor de membranas na forma de fibra-oca, promove a oxigenação da corrente do meio reacional (6). As duas correntes [líquida (L) e gasosa (G)] não entram em contato diretamente. Esta técnica constitui um processo não dispersivo de oxigenação, uma vez que a corrente líquida (L) é forçada a circular pelo casco do módulo de oxigenação, estando em contato apenas com a parte externa da fibra-oca, enquanto a corrente gasosa (G)1 selecionada entre ar comprimido, ar comprimido enriquecido com oxigênio e oxigênio puro, escoa pelo interior da fibra. A Figura 2 ilustra de forma simplificada este esquema de oxigenação.The hollow fiber membrane contactor-type oxygenation module (OX) promotes oxygenation of the reaction medium stream (6). The two currents [liquid (L) and gaseous (G)] do not contact each other directly. This technique constitutes a non-dispersive oxygenation process, since the liquid current (L) is forced to circulate through the oxygenation module shell, being in contact only with the outside of the hollow fiber, while the gas stream (G) 1 selected from compressed air, oxygen enriched compressed air and pure oxygen, flows through the fiber interior. Figure 2 illustrates this oxygenation scheme in a simplified manner.

Em função do tipo de cultivo em uso e da demanda por oxigênio exigida pelo microorganismo, diferentes tipos de membrana podem ser utilizados. Também pode ser necessário o uso combinado desse módulo de oxigenação (OX) com técnicas convencionais de oxigenação, como por exemplo, borbulhamento de ar comprimido ou oxigênio, como é o caso quando se utilizam linhagens de leveduras do gênero Pichia, que possuem elevada demanda por oxigênio. Membranas microporosas hidrofóbicas também podem ser utilizadasDepending on the type of crop being used and the oxygen demand required by the microorganism, different membrane types may be used. The combined use of this oxygenation module (OX) may also be required with conventional oxygenation techniques, such as bubbling of compressed air or oxygen, as is the case when using Pichia yeast strains, which have a high demand for oxygen. oxygen. Hydrophobic microporous membranes may also be used.

como contactores, desde que o meio de cultivo apresente valores de tensão superficial próximos aos da água pura em todo o processo. Pode- se igualmente utilizar membranas compostas, de suporte microporoso recoberto com uma fina camada de material denso, como silicone ou teflon. Contudo, na maioria dos casos é aconselhável o uso de membrana de fibra do tipo densa constituída de silicone. Toda a área de contato entre as fases líquida (L) e gasosa (G) é fixa e definida pela área de membrana disponível. A oxigenação fornecida ao sistema é controlada por meio da pressão do ar fornecido e da vazão de purga. E comum o produto de interesse encontrar-se a uma concentraçãoas contactors, provided that the culture medium has surface tension values close to those of pure water throughout the process. Microporous support composite membranes also coated with a thin layer of dense material such as silicone or Teflon may also be used. However, in most cases it is advisable to use a dense type silicone fiber membrane. The entire contact area between the liquid (L) and gas (G) phases is fixed and defined by the available membrane area. Oxygenation supplied to the system is controlled through the supply air pressure and purge flow. It is common for the product of interest to be at a concentration

inferior àquela desejada ao final da reação. Neste caso, uma parte (8) da corrente de produto (9) deixa o tanque de armazenamento de produto (TQ2), sendo conduzida a um módulo de osmose inversa (OI) ou de ultrafiltração (UF), para concentração, onde partículas de pequenas dimensões, da ordem de poucas dezenas de Angstroms (no caso da OI), podendo chegar a algumas centenas de Angstroms (no caso da UF), são retidas. Uma válvula reguladora de pressão, instalada a jusante do módulo (não mostrada na Figura 1), garante um diferencial de pressão entre a corrente concentrada de produto (10) e a corrente de permeado (11), que deve estar compreendido numa faixa entre 15 kgf/cm2 e 25 kgf/cm2, preferencialmente em 20 kgf/cm2.lower than that desired at the end of the reaction. In this case, a part (8) of the product stream (9) leaves the product storage tank (TQ2) and is led to a reverse osmosis (OI) or ultrafiltration (UF) module for concentration, where particles of small dimensions, of the order of a few dozen Angstroms (in the case of OI), and may reach a few hundred Angstroms (in the case of UF), are retained. A pressure regulating valve installed downstream of the module (not shown in Figure 1) ensures a pressure differential between the concentrated product stream (10) and the permeate stream (11), which must be within a range of 15 kgf / cm2 and 25 kgf / cm2, preferably at 20 kgf / cm2.

A temperatura do concentrado é mantida por meio de um trocador de calor, de forma a não afetar a estabilidade do produto. A corrente concentrada de produto (10) é conduzida ao tanque de armazenamento de produto (TQ2). A corrente de permeado (11) é constituída basicamente de água, a qual poderá ser reutilizada no tanque de preparo (TQ1) para a composição do meio de cultivo, juntamente com a corrente de alimentação de matéria prima (12), formando a corrente (13) que será alimentada ao primeiro módulo de microfiltração (MF1) para esterilização, a qual é fornecida ao biorreator como meio de cultivo (1).The temperature of the concentrate is maintained by means of a heat exchanger so as not to affect product stability. The concentrated product stream (10) is fed to the product storage tank (TQ2). The permeate stream (11) is basically water which can be reused in the preparation tank (TQ1) for the composition of the culture medium together with the feedstock stream (12) forming the stream ( 13) which will be fed to the first microfiltration module (MF1) for sterilization, which is supplied to the bioreactor as a culture medium (1).

Como mencionado anteriormente, o sistema da invenção pode operar de forma contínua, em batelada simples, e em batelada alimentada. Por conseqüência, as válvulas de transferência de produto são controladas e acionadas adequadamente em função do "modus operandi" do processo. Alternativamente, dependendo do produto de interesse, o módulo deAs mentioned above, the system of the invention can operate continuously in single batch and fed batch. As a result, product transfer valves are properly controlled and actuated due to the "modus operandi" of the process. Alternatively, depending on the product of interest, the

osmose inversa poderá ser substituído por um equipamento mais adequado à situação, como módulos de uItrafiItração ou nanofiltração, mais compatível com as dimensões das moléculas a serem tratadas, garantindo a estabilidade e a qualidade do produto final, possibilitando também o reciclo do substrato não consumido ao início do processo.Reverse osmosis may be replaced by equipment more suited to the situation, such as filtering or nanofiltration modules, more compatible with the size of the molecules to be treated, ensuring the stability and quality of the final product, as well as recycling the unused substrate to start of the process.

As vantagens obtidas com a integração de processos biotecnológicos tornam-se claras para os especialistas na matéria, especialmente quando se objetiva ampliar a produção de um determinado bioproduto. Entre tais vantagens, merecem destaque a garantia de qualidade e a padronização do produto, a possibilidade de utilizar diversos tipos de matéria-prima, a possibilidade de empregar diversos modos de condução do processo, a obtenção de produtos mais puros e concentrados, o maior controle na geração de espuma, o menor gasto energético para a esterilização dos insumos, facilitando sua conservação e armazenamento, e a concentração integrada do produto, permitindo reuso de nutrientes não consumidos, bem como de água no processo.The advantages gained from the integration of biotechnological processes become clear to those skilled in the art, especially when it comes to expanding the production of a particular bioproduct. These advantages include the quality assurance and standardization of the product, the possibility of using various types of raw materials, the possibility of employing various modes of conducting the process, obtaining more pure and concentrated products, greater control. In foam generation, the lowest energy expenditure for the sterilization of the inputs, facilitating their conservation and storage, and the integrated concentration of the product, allowing reuse of unused nutrients as well as water in the process.

O sistema acima descrito mostra-se particularmente interessante para a obtenção de biossurfactantes em larga escala. Esses produtos são empregados para diversas aplicações, podendo ser citadas entre outras a limpeza de solos impactados com petróleo e seus derivados, a recuperação avançada de petróleo, devido à redução dos impactos ambientais e substituição dos surfactantes sintetizados quimicamente, os quais são largamente utilizados na atualidade.The above described system is particularly interesting for obtaining large scale biosurfactants. These products are used for various applications, including cleaning of oil-impacted soils, advanced oil recovery due to reduced environmental impacts and replacement of chemically synthesized surfactants, which are widely used today. .

Por proporcionar elevada taxa de oxigenação para as células, o sistema também se mostra interessante para o cultivo e a produção de bioprodutos por leveduras do gênero Pichia, particularmente Pichia pastoris, em especial linhagens modificadas geneticamente, devido ao fato de tais células comumente demandarem altos níveis de oxigenação para alcançar alta densidade celular e produzir bioprodutos em maiores taxas. Os bioprodutos são obtidos por processo bioquímico, que utilizaBy providing a high oxygenation rate to the cells, the system is also interesting for the cultivation and production of bioproducts by Pichia yeast, particularly Pichia pastoris, in genetically modified strains, due to the fact that such cells commonly require high levels. oxygenation to achieve high cell density and produce bioproducts at higher rates. Bioproducts are obtained by biochemical process, which uses

microorganismos condicionados para esse fim, dentre os quais bactérias do gênero Pseudomonas, as quais consomem um substrato e produzem biossurfactantes do tipo ramnolipídeo. O processo é estritamente aeróbico, de modo que o uso de oxigenação convencional por borbulhamento leva à formação de espumas muito estáveis. O emprego de oxigenação por dispersão do ar (ou oxigênio) na fase líquida, possibilita a obtenção do bioproduto em larga escala, visto que permite alcançar de forma mais econômica o total controle da formação de espuma. EXEMPLOSmicroorganisms conditioned for this purpose, including bacteria of the genus Pseudomonas, which consume a substrate and produce ramnolipid biosurfactants. The process is strictly aerobic, so the use of conventional bubbling oxygenation leads to the formation of very stable foams. The use of oxygen by dispersion of air (or oxygen) in the liquid phase allows the bioproduct to be obtained on a large scale, since it allows to achieve a more complete control of foam formation. EXAMPLES

O sistema integrado objeto da presente invenção será ilustrado a seguir, utilizando-se glicerol como fonte de carbono fornecida aos microorganismos para obtenção de biossurfactantes ramnolipídeos em larga escala.The integrated system object of the present invention will be illustrated below using glycerol as the carbon source supplied to microorganisms for obtaining large-scale ramnolipid biosurfactants.

Os experimentos foram conduzidos em um biorreator dotado com agitador mecânico trabalhando a uma pressão de 2 kgf/cm2 a 30°C. No entanto, o sistema poderá ser ampliado em escala sem perder suas características, podendo operar em faixas de temperatura entre 15°C e 60°C, sob regime contínuo, de batelada simples e de batelada alimentada. De acordo com um procedimento padrão adotado, os experimentos foram conduzidos sob regime de batelada em um biorreator dotado com agitador mecânico, com capacidade para 3,0 litros de meio de cultivo, empregando- se oxigenação não dispersiva e contactores de membranas densas de silicone na forma de fibras ocas. A área de contato entre as fases líquida e gasosa é definida pela área de membrana disponível, neste caso igual a 32 m2. Foram utilizados na etapa de microfiltração quatro módulos de microfiltração para separação de células com membranas de fibra oca operando em paralelo, totalizando 100 m2 de área. Esses módulos são alimentados por bomba de circulação com vazão nominal de 7 m3/h provida com variador de freqüência operando junto com a malha de controle de pressão na descarga. A perda de carga nesses módulos é de cerca de 0,6 kgf/cm2 . O diferencial de pressão entre o módulo e o permeado está compreendida na faixa entre 0,8 kgf/cm2 e 1,2 kgf/cm2, preferencialmente em 1 kgf/cm2, com uma perda de carga da ordem de 0,1 kgf/cm2, o controle sendo feito por meio da malha de controle que atua sobre a válvula de descarga de concentrado. A recuperação de permeado foi de 80%. O sistema de retrolavagem foi acionado periodicamente para evitar o entupimento das membranas. Exemplo 1The experiments were conducted in a bioreactor equipped with a mechanical stirrer working at a pressure of 2 kgf / cm2 at 30 ° C. However, the system can be scaled up without losing its characteristics and can operate in temperature ranges between 15 ° C and 60 ° C, under continuous, single batch and fed batch regime. According to a standard procedure adopted, the experiments were carried out under batch regime in a bioreactor equipped with mechanical stirrer, with capacity of 3.0 liters of culture medium, using non-dispersive oxygenation and dense silicone membrane contactors. hollow fiber form. The contact area between the liquid and gas phases is defined by the available membrane area, in this case equal to 32 m2. Four microfiltration modules were used in the microfiltration step to separate cells with hollow fiber membranes operating in parallel, totaling 100 m2 of area. These modules are powered by a circulation pump with a nominal flow rate of 7 m3 / h provided with a frequency converter operating in conjunction with the discharge pressure control loop. The pressure drop on these modules is about 0.6 kgf / cm2. The pressure differential between the module and the permeate is in the range 0.8 kgf / cm2 to 1.2 kgf / cm2, preferably 1 kgf / cm2, with a pressure drop of 0.1 kgf / cm2. , the control being made by means of the control loop that acts on the concentrate discharge valve. The permeate recovery was 80%. The backwash system was periodically activated to prevent clogging of the membranes. Example 1

O biorreator contendo meio de cultivo para Pseudomonas aeruginosa PA1 foi mantido sob agitação de 150 rpm e temperatura de 30°C, em regime de batelada simples, acompanhando-se em gráfico o consumo de matéria-prima (glicerol) e a produção de ramnolipídeos ao longo do tempo. O gráfico resultante é apresentado na Figura 3.The bioreactor containing culture medium for Pseudomonas aeruginosa PA1 was kept under agitation of 150 rpm and a temperature of 30 ° C, in a single batch regime, followed by graphing the consumption of raw material (glycerol) and the production of ramnolipids at the same time. over time. The resulting graph is shown in Figure 3.

Foram produzidos 36,6 mg/L.h de ramnolipídeos após 7 dias de produção com uma taxa de consumo de 119 mg/L.h de glicerol, resultando em concentração de produto próxima a 7,0 g/L na saída do biorreator, antes da concentração por osmose inversa. Exemplo 236.6 mg / Lh of ramnolipids were produced after 7 days of production with a consumption rate of 119 mg / Lh of glycerol, resulting in a product concentration close to 7.0 g / L at the bioreactor exit before concentration by reverse osmosis. Example 2

O experimento foi conduzido sob regime de batelada alimentada em um biorreator dotado com agitador mecânico, com capacidade para 3,0 litros de meio de cultivo, empregando-se oxigenação não dispersiva e contactores de membranas densas de silicone na forma de fibras ocas. O biorreator contendo meio de cultivo por Pseudomonas aeruginosa PA1 foi mantido sob agitação de 150 rpm e temperatura de 30°C, sob condição de fermentação de longa duração com adição extra de glicerol e nitrato de sódio, acompanhando-se em gráfico o consumo de matéria-prima (glicerol) e a produção de ramnolipídeos ao longo do tempo. O gráfico resultante é apresentado na Figura 4.The experiment was carried out under a batch fed regime in a bioreactor equipped with mechanical stirrer, with capacity for 3.0 liters of culture medium, using non-dispersive oxygenation and dense silicone membrane contactors in the form of hollow fibers. The bioreactor containing culture medium by Pseudomonas aeruginosa PA1 was kept under agitation of 150 rpm and temperature of 30 ° C, under long-term fermentation conditions with extra glycerol and sodium nitrate addition, followed by graphing the consumption of matter. (glycerol) and the production of ramnolipids over time. The resulting graph is shown in Figure 4.

Os experimentos apontaram um consumo máximo de 150 mg/L.h de glicerol e 200 mg/L.h de oxigênio, gerando 44,3 mg/L.h de ramnolipídeos, resultando em concentração de produto igual a 16,9 g/L na saída do biorreator, antes da concentração por osmose inversa, após 16 dias de produção.The experiments indicated a maximum consumption of 150 mg / Lh of glycerol and 200 mg / Lh of oxygen, generating 44.3 mg / Lh of ramnolipids, resulting in a product concentration of 16.9 g / L at the bioreactor outlet, before concentration by reverse osmosis after 16 days of production.

Como se pode depreender, o sistema integrado aqui proposto permite contornar problemas comumente encontrados em processos biotecnológicos, tal como a formação excessiva de espuma. Por integrar diferentes tipos de processamento, as células microbianas podem ser concomitantemente microfiltradas e retornar ao biorreator, o que permite a obtenção de elevadas concentrações de produto, assim como a subseqüente concentração da corrente de produto em módulos de osmose inversa ou de uItrafiItração, dependendo do produto de interesse. Por outro lado, nutrientes não consumidos podem ser reciclados ao biorreator, contribuindo para a viabilidade econômica dos processos.As can be seen, the integrated system proposed here allows to circumvent problems commonly encountered in biotechnological processes, such as excessive foaming. By integrating different types of processing, microbial cells can be concomitantly microfiltrated and returned to the bioreactor, allowing for high product concentrations as well as the subsequent concentration of the product stream in reverse osmosis or filtration modules, depending on the product of interest. On the other hand, unconsumed nutrients can be recycled to the bioreactor, contributing to the economic viability of the processes.

Visando ilustrar o conceito inventivo, o sistema foi descrito preferencialmente com relação à produção de biosurfactantes. Todavia, ele pode ser configurado para outras aplicações, tais como para a produção e concentração de correntes contendo enzimas, as quais podem ser obtidas utilizando-se diferentes microorganismos, como, por exemplo, Iipases de Pichia sp. e de outras linhagens (Candida sp., Rhizopus sp., Geotrichum sp., Penicillium sp., Aspergillus sp.) além de outras hidrolases, como celulases, xilanases, amilases, de Penieillium sp., Aspergillus sp. e Triehoderma sp., com o objetivo de uso na produção de biocombustíveis, como por exemplo, biodiesel, bioetanol e outros produtos químicos de interesse.In order to illustrate the inventive concept, the system has been described preferably with respect to the production of biosurfactants. However, it can be configured for other applications, such as for the production and concentration of enzyme-containing streams, which can be obtained using different microorganisms, such as Pichia sp. and from other strains (Candida sp., Rhizopus sp., Geotrichum sp., Penicillium sp., Aspergillus sp.) as well as other hydrolases such as cellulases, xylanases, amylases, from Penieillium sp., Aspergillus sp. and Triehoderma sp., for use in the production of biofuels, such as biodiesel, bioethanol and other chemicals of interest.

Claims (10)

1. SISTEMA PARA OBTENÇÃO DE BIOPRODUTOS, em larga escala, como biossurfactantes, biocombustíveis, enzimas e produtos químicos para a produção de biocombustíveis, caracterizado por compreender os seguintes componentes: - um biorreator (BR) integrado aos demais componentes; - um tanque de preparo do meio de cultivo (TQ1), dotado de agitador mecânico; - um módulo de microfiltração por membranas (MF1), para garantir a alimentação do biorreator com meio de cultivo esterilizado; - um módulo de microfiltração por membranas (MF2), para separação de células de microorganismo após a fermentação; - um módulo de oxigenação (OX), do tipo contactor de membranas na forma de fibra-oca; - um módulo de osmose inversa (OI) para concentração de produto; - um tanque de armazenamento de produto (TQ2); - linhas de fluxo interligando os componentes, todas providas com meios de controle conectados a uma malha de controle (C) do processo.1. Large-scale BIOPRODUCTS SYSTEM, such as biosurfactants, biofuels, enzymes and chemicals for biofuel production, characterized by the following components: - a bioreactor (BR) integrated with the other components; - a culture medium preparation tank (TQ1), equipped with a mechanical stirrer; - a membrane microfiltration module (MF1) to ensure that the bioreactor is fed with sterile culture medium; - a membrane microfiltration module (MF2) for separating microorganism cells after fermentation; - a hollow fiber membrane contactor-type oxygenation module (OX); - a reverse osmosis (OI) module for product concentration; - a product storage tank (TQ2); - flow lines connecting the components, all provided with control means connected to a process control loop (C). 2. SISTEMA PARA OBTENÇÃO DE BIOPRODUTOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por dito sistema operar alternativamente em regime de batelada simples, batelada alimentada ou contínuo.BIOPRODUCTS OBTAINING SYSTEM according to claim 1, characterized in that said system operates alternatively in single batch, fed batch or continuous batch mode. 3. SISTEMA PARA OBTENÇÃO DE BIOPRODUTOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por dito biorreator (BR) operar sob pressão, ser dotado de agitador mecânico e possuir uma camisa externa do tipo parede dupla, para a passagem de fluido térmico o qual mantém uma temperatura constante durante o processo fermentativo compreendida na faixa entre 15°C e 60°C, e que, adicionalmente, esteriliza termicamente o biorreator, sem necessidade de injeção direta de vapor.BIOPRODUCTS SYSTEM according to Claim 1, characterized in that said bioreactor (BR) operates under pressure, is equipped with a mechanical stirrer and has a double-walled external jacket for the passage of thermal fluid which maintains a constant temperature during the fermentation process in the range of 15 ° C to 60 ° C, which additionally thermally sterilizes the bioreactor without the need for direct steam injection. 4.- SISTEMA PARA OBTENÇÃO DE BIOPRODUTOS, de acordo com as reivindicações 1 e 3, caracterizado por dito biorreator (BR) ser integrado aos demais componentes e sua operação ser realizada por meio de uma malha de controle (C).4. A system for obtaining bio-products according to claims 1 and 3, characterized in that said bioreactor (BR) is integrated with the other components and its operation is carried out by means of a control loop (C). 5.- SISTEMA PARA OBTENÇÃO DE BIOPRODUTOS, de acordo com a reivindicações 1, 3 e 4, caracterizado por dita malha de controle (C) atuar sobre duas válvulas de controle em regime de "split-range" de adição e retirada de ar e sobre instrumentos que fazem parte do sistema instalados nas linhas de fluxo como analisadores de pH e de oxigênio dissolvido, transmissores de temperatura, transmissores de pressão, transmissores de nível de meio de cultivo e transmissores de nível de espuma, para acompanhar e monitorar as condições reacionais.5.- BIOPRODUCTS OBTAINING SYSTEM according to Claims 1, 3 and 4, characterized in that said control loop (C) acts on two split-range control valves of air addition and withdrawal and instruments that are part of the system installed on flow lines such as pH and dissolved oxygen analyzers, temperature transmitters, pressure transmitters, media level transmitters and foam level transmitters to track and monitor reaction conditions. . 6.- SISTEMA PARA OBTENÇÃO DE BIOPRODUTOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ditos módulos de microfiltração por membranas (MF1 e MF2) possibilitarem a alimentação com células em diferentes estágios metabólicos, o processamento contínuo sem o descarregamento do biorreator e a esterilidade do produto.6. A system for obtaining bio-products according to claim 1, characterized in that said membrane microfiltration modules (MF1 and MF2) enable feeding to cells at different metabolic stages, continuous processing without bioreactor discharge and sterility. of product. 7.- SISTEMA PARA OBTENÇÃO DE BIOPRODUTOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por dito módulo de oxigenação (OX) ser do tipo contactor de membranas na forma de fibra-oca e promover a oxigenação da corrente do meio reacional por meio de um processo não dispersivo de oxigenação, segundo o qual a corrente líquida (L) é forçada a circular pelo casco do módulo de oxigenação, estando em contato apenas com a parte externa da fibra-oca, enquanto que a corrente gasosa (G)1 selecionada entre ar comprimido, ar comprimido enriquecido com oxigênio e oxigênio puro, escoa pelo interior da fibra, de modo a manter um diferencial de pressão entre o meio reacional e a corrente gasosa (G) compreendido na faixa entre 0,8 kgf/cm2 e 1,2 kgf/cm2, preferencialmente em 1 kgf/cm2.7. A system for obtaining bio-products according to claim 1, characterized in that said oxygenation module (OX) is of the hollow-fiber membrane contactor type and promotes oxygenation of the reaction medium stream by means of a non-dispersive oxygenation process, whereby the liquid current (L) is forced to circulate through the oxygenation module shell, being in contact only with the outside of the hollow fiber, while the gaseous current (G) 1 selected from compressed air, compressed air enriched with oxygen and pure oxygen, flows into the fiber to maintain a pressure differential between the reaction medium and the gas stream (G) in the range 0.8 kgf / cm2 to 1, 2 kgf / cm2, preferably at 1 kgf / cm2. 8.- SISTEMA PARA OBTENÇÃO DE BIOPRODUTOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por empregar membranas de diferentes tipos, tais como membranas microporosas hidrofóbicas e membranas compostas de suporte microporoso recoberto com uma fina camada de material denso.8. A system for obtaining bio-products according to claim 1, characterized in that it employs membranes of different types, such as hydrophobic microporous membranes and microporous support composite membranes covered with a thin layer of dense material. 9. SISTEMA PARA OBTENÇÃO DE BIOPRODUTOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por no dito módulo de osmose inversa (OI) para concentração de produto, um diferencial de pressão entre a corrente concentrada de produto (10) e a corrente de permeado (11) estar compreendido numa faixa entre 15 kgf/cm2 e 25 kgf/cm2, preferencialmente em 20 kgf/cm2.A system for obtaining bio-products according to claim 1, characterized in that in said reverse osmosis module (OI) for product concentration a pressure differential between the concentrated product stream (10) and the permeate stream ( 11) be in the range of 15 kgf / cm2 to 25 kgf / cm2, preferably 20 kgf / cm2. 10. SISTEMA PARA OBTENÇÃO DE BIOPRODUTOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por dito módulo de osmose inversa (OI) em uma modalidade dessa invenção ser alternativamente substituído por módulos mais compatíveis com as dimensões das moléculas a serem tratadas, tais como módulos de uItrafiItração e nanofiltração.A system for obtaining bio-products according to claim 1, characterized in that said reverse osmosis (OI) module in one embodiment of this invention is alternatively replaced by modules more compatible with the size of molecules to be treated, such as uFiltration and nanofiltration.
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