ES2843124T3

ES2843124T3 - Separador de baja presión que tiene un divisor interno y usos para el mismo

Info

Publication number: ES2843124T3
Application number: ES17748274T
Authority: ES
Inventors: Michael Anthony Schultz
Original assignee: Lanzatech New Zealand Ltd
Current assignee: Lanzatech NZ Inc
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2021-07-15
Anticipated expiration: 2037-02-03
Also published as: EA201891668A1; MY184848A; AU2017214573B2; AU2017214562A1; BR112018015918A2; EP3411491A4; TW201730329A; CA3013466A1; WO2017136722A1; CN108603204B; EP3411491B1; ZA201805082B; CA3013466C; AU2017214573A1; CA3013465A1; EP3411490A4; DK3411491T3; DK3411490T3; CN108603204A; MY188035A

Abstract

Un proceso de conversión biológica que comprende: introducir un sustrato en un sistema de biorreactores (100) que comprende al menos un primer biorreactor (10) que incluye un medio de cultivo y una bacteria para metabolizar una fuente de carbono en el sustrato y producir al menos un producto de fermentación; extraer del sistema de biorreactores (100) una corriente de purga (40) que comprende bacteria extraer del sistema de biorreactores (100) una corriente de permeado (50) obtenida de la filtración de una corriente líquida del sistema de biorreactores (100); introducir al menos una parte de la corriente de purga (40) y al menos una parte de la corriente de permeado (50) en un separador de baja presión (70) que comprende un divisor (80), estando el divisor (80) configurado para aislar, en una sección inferior, una fracción líquida (82) de la corriente de purga (40) de una fracción líquida (84) de la corriente de permeado (50), y configurado también para combinar, en una sección superior, una fracción gaseosa de la corriente de purga (40) con una fracción gaseosa de la corriente de permeado (50).

Description

DESCRIPCIÓN

Separador de baja presión que tiene un divisor interno y usos para el mismo

Campo de la invención

Los aspectos de la invención se refieren a la fermentación microbiana de un sustrato que contiene C1 a etanol, utilizando un sistema de biorreactores que produce una corriente de permeado filtrado y una corriente de purga que contiene bacterias. Más específicamente, los aspectos se refieren a procesos para la obtención de etanol a partir de estas corrientes de manera eficaz, particularmente, en términos de integración de calor.

Descripción de la técnica relacionada

Las preocupaciones medioambientales sobre las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) de los combustibles fósiles han conducido a que cada vez se preste más atención a las fuentes de energía renovables. Como resultado, el etanol se está convirtiendo rápidamente en un importante combustible de transporte líquido rico en hidrógeno en todo el mundo. Se espera un crecimiento continuo en el mercado mundial de la industria del etanol combustible en el futuro próximo, basándose en un mayor énfasis en la producción de etanol en Europa, Japón y Estados Unidos, así como varias naciones en desarrollo. Por ejemplo, en Estados Unidos, el etanol se usa para producir E10, una mezcla al 10 % de etanol en gasolina. En las combinaciones de E10, el componente de etanol actúa como agente oxigenante, que mejora la eficacia de la combustión y reduce la producción de contaminantes del aire. En Brasil, el etanol satisface aproximadamente el 30 % de la demanda de combustible de transporte, tanto como agente oxigenante combinado en la gasolina como combustible puro por derecho propio. Además, la Unión Europea (UE) ha establecido objetivos, en cada uno de sus países miembro, en cuanto al consumo de combustibles de transporte sostenibles, tales como el etanol derivado de biomasa.

La gran mayoría del etanol combustible se produce a través de procesos de fermentación tradicionales basados en levaduras que usan carbohidratos derivados de cosechas, tales como la sacarosa extraída a partir de caña de azúcar o el almidón extraído a partir de cosechas de cereales, como principal fuente de carbono. Sin embargo, el coste de estas materias primas de carbohidratos está influenciado por su valor en el mercado para usos competitivos, es decir, como fuente de alimentación tanto para seres humanos como para animales. Además, el cultivo de cosechas de producción de almidón o sacarosa para la producción de etanol no es económicamente sostenible en todas las geografías, ya que va en función tanto de los valores locales de la tierra como del clima. Por estas razones, resulta de particular interés el desarrollo de tecnologías para convertir recursos de carbono de menor coste y/o más abundantes en etanol combustible. En este sentido, el monóxido de carbono (CO) es un importante subproducto rico en energía de la combustión incompleta de materias orgánicas tales como el carbón, el aceite y los productos derivados del aceite. Los gases residuales ricos en CO son el resultado de una diversidad de procesos industriales. Por ejemplo, se indica que la industria del acero en Australia produce y libera a la atmósfera más de 500.000 toneladas métricas de CO al año.

Más recientemente, las alternativas de procesos basados en microorganismos (bacterianos) para la producción de etanol a partir de CO a escala industrial se han convertido en un objeto de interés comercial e inversión. La capacidad de crecimiento de los cultivos de microorganismos, siendo el CO la única fuente de carbono, se descubrió por primera vez en 1903. Posteriormente, se determinó que esta característica residía en el uso por parte de un organismo de la vía bioquímica de la acetil coenzima A (acetil CoA) de crecimiento autótrofo (también conocida como vía de Woods-Ljungdahl y vía de monóxido de carbono deshidrogenasa/acetil CoA sintasa (CODH/ACS)). Se ha demostrado que una gran cantidad de organismos anaerobios, incluidos los organismos carboxidotróficos, fotosintéticos, metanogénicos y acetogénicos, metabolizan el CO. Se sabe que las bacterias anaerobias, tales como las del género Clostridium, producen etanol a partir de CO, CO2 y H2, a través de la vía bioquímica de la acetil CoA. Por ejemplo, se describen diversas cepas de Clostridium Ijungdahlii que producen etanol a partir de gases en los documentos WO 00/68407; EP 1117309 A1; US 5.173.429; US 5.593.886; US 6.368.819; WO 98/00558; y WO 02/08438. También se sabe que la bacteria Clostridium autoethanogenum sp. produce etanol a partir de gases (Abrini et al., ARCHIVES OF MICROBIOLOGY 161: 345-351 (1994)).

Debido a que cada enzima de un organismo promueve su conversión biológica designada con una selectividad esencialmente perfecta, las vías de síntesis microbiana pueden lograr mayores rendimientos con menores costes de energía, en comparación con las vías catalíticas convencionales. Además, disminuye la preocupación por el envenenamiento de los catalizadores debido a las impurezas en el medio de reacción. A pesar de estas aparentes ventajas asociadas con la síntesis microbiana de etanol a partir de CO, dichos procesos deben ser competitivos con otras tecnologías, en términos de garantizar que la tasa de producción sea competitiva. Cuando usan ^{C o}como su fuente de carbono, las bacterias anaerobias descritas anteriormente producen etanol mediante fermentación, pero estas también producen al menos un metabolito, por ejemplo, CO2, metano, n-butanol y/o ácido acético. La formación de cualquiera de estos metabolitos tiene el potencial de afectar significativamente a la productividad y la viabilidad económica global de un proceso dado, ya que el carbono disponible se pierde en el/los metabolito/s y la eficacia de producción del producto final deseado se ve perjudicada. Además, a menos que un metabolito (p. ej., ácido acético) por sí mismo tenga valor en el momento y lugar del proceso de fermentación microbiana, este puede plantear un problema de eliminación de residuos. Se analizan diversas propuestas para abordar la formación de productos distintos del producto final deseado en la fermentación anaerobia de gases que contienen CO para producir etanol en los documentos WO2007/117157, WO2008/115080 y WO2009/022925.

La tasa de producción de etanol, que es un determinante fundamental en cuanto a si un proceso de fermentación dado es económicamente atractivo, depende en gran medida de la gestión de las condiciones adecuadas para el crecimiento bacteriano. Por ejemplo, se sabe, a partir del documento WO2010/093262, que el sustrato que contiene CO se debe proporcionar a un cultivo microbiano a una tasa que produzca un crecimiento microbiano óptimo y/o la producción de metabolitos deseada. Si se proporciona un sustrato insuficiente, el crecimiento microbiano se ralentiza y los rendimientos del producto de fermentación se desplazan hacia el ácido acético a expensas del etanol. Si se proporciona un sustrato excesivo, se puede producir un crecimiento microbiano deficiente y/o una muerte celular. En el documento WO2011/002318, se halla información adicional con respecto a las relaciones entre los parámetros operativos en estos procesos. El documento WO 2014/043288 A1 desvela un proceso de conversión biológica.

La técnica de los procesos biológicos para la producción de etanol a partir de CO y, en particular, las corrientes de desechos que contienen CO, tales como los efluentes gaseosos emitidos en la producción del acero, está buscando continuamente soluciones que mejoren la economía de los procesos y, por tanto, la competitividad de la industria. Un área de interés se refiere a los requisitos energéticos para separar subproductos, en concreto, los metabolitos descritos anteriormente que son el resultado de reacciones secundarias no selectivas, así como componentes del medio de cultivo bacteriano (especialmente, agua), del producto de etanol deseado. Por ejemplo, lograr avances, aunque sean modestos, en la integración térmica asociada con las separaciones requeridas aguas abajo del o de los biorreactores, en particular, si los gastos de capital y de funcionamiento no se ven afectados sustancialmente, puede tener implicaciones significativas en la escala industrial de funcionamiento.

Sumario de la invención

La invención es de acuerdo con la reivindicación 1. Los aspectos de la invención se refieren a mejoras en los procesos de conversión biológica y aparatos asociados para la generación de productos finales útiles, a través de las vías metabólicas de las bacterias que utilizan, como nutriente, carbono de un sustrato que contiene carbono. Los procesos representativos comprenden introducir un sustrato a un sistema de biorreactores que comprende al menos un primer biorreactor que incluye un medio de cultivo y una bacteria para metabolizar una fuente de carbono en el sustrato y producir al menos un producto de fermentación; extraer del sistema de biorreactores una corriente de purga que comprende una bacteria; extraer del sistema de biorreactores una corriente de permeado obtenida de la filtración de un producto líquido del sistema de biorreactores; e introducir al menos una parte de la corriente de purga y al menos una parte de la corriente de permeado en un separador de baja presión que comprende un divisor. El divisor está configurado para aislar, en una sección inferior, una fracción líquida de la corriente de purga de una fracción líquida de la corriente de permeado, y también está configurado para combinar, en una sección superior, una fracción gaseosa de la corriente de purga con una fracción gaseosa de la corriente de permeado.

De acuerdo con otros aspectos, la invención se refiere a mejoras en procesos de conversión biológica y aparatos asociados para la generación de productos finales útiles tales como etanol e/o isopropanol, a través de las vías metabólicas de las bacterias fijadoras de C1 que utilizan, como nutriente, los gases con C1 de un sustrato que contiene C1, como un gas residual industrial. Los procesos y aparatos representativos implican tipos alternativos de funcionamiento que son particularmente ventajosos junto con productividades elevadas de etanol o isopropanol. Los caudales asociados sustanciales del producto deben procesarse de manera eficaz a través de los funcionamientos de la unidad de separación necesarias para lograr un producto final de alta pureza (p. ej., etanol o isopropanol anhidro). Un sistema de biorreactores ilustrativo que se puede usar para lograr la productividad deseable de etanol o isopropanol (por p. ej., expresada en términos de gramos por día por litro de volumen de biorreactor) puede comprender dos o más biorreactores que funcionan en serie con respecto a los flujos de entrada y de salida de líquido.

Es decir, de acuerdo con dicho sistema, se puede hacer pasar una corriente de alimentación de medio de cultivo líquido a un primer biorreactor, y se pueden hacer pasar uno o más líquidos que comprenden el contenido de este biorreactor (que tiene la misma o diferentes composiciones con respecto al líquido del primer biorreactor a granel) a un segundo biorreactor, procesándose uno o más líquidos que comprenden el contenido del segundo biorreactor (que tiene la misma o diferentes composiciones con respecto al líquido del segundo biorreactor a granel) mediante operaciones de la unidad de separación para purificar el etanol o isopropanol contenido en estos líquidos. Esto permite ventajosamente el control por separado de las condiciones de los biorreactores separados para diferentes objetivos (p. ej., crecimiento bacteriano frente a rendimiento de producto), conduciendo a mejoras en la productividad del etanol y/o reducciones en la productividad de subproductos, en relación con el uso de un solo reactor con un volumen total comparable. Si un sistema de biorreactores incluye más de dos biorreactores, entonces los productos líquidos intermedios pueden introducirse, y extraerse de, los biorreactores intermedios en serie (es decir, hacerse pasar sucesivamente a biorreactores aguas abajo). Los términos "posterior" o "aguas abajo", al referirse a un biorreactor, se refieren a su posición con respecto a otros biorreactores de un sistema de biorreactores, en términos del paso de líquidos del reactor (p. ej., medio de cultivo) de un biorreactor al siguiente. Los sistemas de biorreactores representativos que comprenden dos o más biorreactores también pueden funcionar en paralelo con respecto al flujo de cargas y productos gaseosos, de manera que un sustrato gaseoso que contiene C1 puede dividirse e introducirse a los mismos o diferentes caudales en los biorreactores simultáneamente (p. ej., introduciendo el sustrato en distribuidores de gas en sus secciones inferiores). Los productos gaseosos, agotados en la composición del gas con C1 en relación con el sustrato, pueden extraerse por separado de cada uno de los biorreactores simultáneamente y después procesarse adicionalmente, por ejemplo, para recuperar producto líquido arrastrado, como corrientes separadas o como una corriente combinada.

Si bien la descripción que sigue se refiere a las fermentaciones de etanol, se considera que las enseñanzas son igualmente aplicables a los procesos de fermentación de isopropanol y a los procesos de purificación de isopropanol. Además, aunque las realizaciones proporcionadas se refieren a procesos de fermentación de gases, se considera que la invención sería aplicable a cualquier proceso de fermentación que genere un caldo de fermentación que contenga productos líquidos excretados y biomasa.

Durante el funcionamiento normal de un sistema de biorreactores, la generación neta de productos líquidos requiere que estos productos se retiren, preferentemente de forma continua, para evitar su acumulación en cada biorreactor y así mantener las condiciones de estado estacionario. Si todo el líquido extraído tuviera la misma composición a granel que la existente en el biorreactor (incluidas las mismas concentraciones de bacterias y componentes del medio de cultivo), entonces, el biorreactor, aunque funcionara en estado estacionario con respecto a la concentración de etanol y ácido acético, se agotaría constantemente en la concentración de bacterias. En estas circunstancias, una mayor productividad del etanol en relación con la productividad (crecimiento) de las bacterias produciría direccionalmente una velocidad más rápida de agotamiento de las bacterias de un biorreactor dado. Para mantener la concentración de bacterias proporcionando un grado de libertad de funcionamiento adicional, una primera parte del líquido extraído de un biorreactor dado, es decir, una corriente de purga, puede ser una parte sin filtrar, mientras que una segunda parte del líquido extraído puede filtrarse. En este caso, la primera parte puede tener sustancialmente la misma composición a granel que la existente en el biorreactor, o al menos sustancialmente la misma concentración de bacterias, mientras que la segunda parte del líquido, en virtud de la filtración, puede dividirse en un retenido de la filtración que está enriquecido en bacterias y se devuelve al biorreactor para mantener su concentración de bacterias, y un permeado de la filtración que representa la fracción neta de la segunda parte extraída que realmente se elimina del biorreactor (o no se recicla al biorreactor). Este permeado de filtración, sustancialmente sin bacterias, se puede hacer pasar luego a un biorreactor aguas abajo o, en el caso de su eliminación del biorreactor final, puede procesarse mediante funcionamientos de la unidad de separación para purificar el etanol contenido en el mismo.

De esta manera, la extracción de las corrientes tanto de purga como de permeado proporciona un grado significativamente mejorado del control general del proceso, especialmente, en términos de gestión de la concentración de bacterias en un biorreactor a diferentes niveles de productividad. A medida que aumenta la tasa de generación de etanol, el flujo de la corriente de permeado en relación con el flujo de la corriente de purga puede aumentarse, permitiendo que se extraiga más líquido del reactor filtrado con mayor retención de bacterias. Debido a que el etanol está presente en ambas corrientes extraídas, las corrientes de purga y permeado que finalmente se extraen de un sistema de biorreactores, por ejemplo, de un biorreactor de etapa final (tal como de un segundo biorreactor de un sistema de biorreactores que comprende un primer y un segundo biorreactor que funcionan en serie con respecto al flujo de líquido), normalmente, se procesan ambas posteriormente para la purificación de etanol. Las corrientes de purga y permeado se envían a tanques de almacenamiento individuales, siendo los efluentes de estos tanques enviados a las unidades de recuperación aguas abajo.

En vista de esto, los aspectos de la presente invención se refieren a la recuperación aguas abajo de etanol o isopropanol a partir de corrientes de purga y permeado y, más particularmente, a la realización de dicha recuperación con una eficacia mejorada que puede reducir ventajosamente los costes de capital (p. ej., equipos) y/o de funcionamiento (p. ej., utilidad). Los aspectos más específicos se refieren a los procesos y aparatos asociados para la purificación de etanol o isopropanol contenidos tanto en las corrientes de purga como de permeado, extraídos de los procesos de biorreactores, basándose en las diferencias en la volatilidad relativa entre el etanol (punto de ebullición normal = 78 °C) y otros componentes en estas corrientes, incluyendo el agua (punto de ebullición normal = 100 °C), así como metabolitos tales como el ácido acético (punto de ebullición normal = 118 °C), 2,3-butanodiol (punto de ebullición normal = 177 °C) y varios alcoholes diferentes y ácidos orgánicos simples. Los procesos y aparatos ilustrativos utilizan al menos una etapa única de equilibrio vapor-líquido para lograr el enriquecimiento deseado del etanol o isopropanol en una fracción de vapor o ligera de un separador, lo que separa esta fracción de una fracción líquida o pesada. Por lo tanto, el término "separador" abarca un recipiente de vaporización de una sola etapa. Preferentemente, sin embargo, un separador representativo utilizará múltiples etapas de equilibrio vapor-líquido, como en el caso de una columna de destilación, para lograr una mayor pureza del producto de etanol o isopropanol en la fracción ligera. El término "separador" también abarca los recipientes de una etapa o de múltiples etapas que tienen un flujo auxiliar de gas (p. ej., un destilador) y/o un flujo auxiliar o líquido (p. ej., un depurador) para potenciar la separación de componentes deseada.

Independientemente del tipo de separador, sin embargo, habitualmente es necesario un aporte de calor para llevar a cabo dichos procesos de separación y, más particularmente, un consumo de calor a una temperatura relativamente alta en al menos una etapa, tal como una etapa del calderín, que puede ir acompañada de una recuperación de calor a una temperatura relativamente baja en otra etapa, tal como una etapa del condensador. En este sentido, aspectos adicionales de la presente invención se refieren, más particularmente, al descubrimiento de procesos y aparatos con los que se mejora la integración del calor en la recuperación de etanol o isopropanol de corrientes de purga y de permeado que se extraen de los sistemas de biorreactores. Dicha recuperación se complica por el hecho de que la primera corriente contiene algunas de las bacterias utilizadas en el proceso de conversión biológica, mientras que la última corriente está normalmente libre o al menos sustancialmente sin dichas bacterias. La presencia de bacterias en la corriente de purga, por ejemplo, impone restricciones a las temperaturas de funcionamiento utilizadas en una columna de destilación u otro separador utilizado para purificar esta corriente, mientras que no se aplican las mismas consideraciones al procesar la corriente de permeado.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, surge una oportunidad para mejorar la integración del calor frente a diferentes caudales de la corriente de purga y de la corriente de permeado en el procesamiento de al menos parte, y opcionalmente la totalidad, de la corriente de permeado junto con la corriente de purga en un solo separador. Un divisor en el separador para procesar conjuntamente las corrientes de purga y de permeado puede aislar ventajosamente las respectivas fracciones líquidas de estas corrientes, que tienen diferentes composiciones debido al menos a la presencia de bacterias en la primera y a la ausencia de bacterias en la segunda. Esto permite que estas fracciones líquidas se extraigan de manera beneficiosa en corrientes de fracciones pesadas líquidas separadas que se utilizan para otros fines, tales como la eliminación de bacterias en el caso de una fracción pesada de una corriente de purga y/o reciclar de nuevo al sistema de biorreactores en el caso de una fracción pesada de una corriente de permeado. Como alternativa, la fracción pesada de una corriente de permeado se puede procesar de acuerdo con los objetivos asociados con el tratamiento de aguas residuales, tales como la reducción de la demanda química de oxígeno (DQO). Introduciendo ya sea una parte o toda la corriente de permeado en el separador para el procesamiento conjunto de las corrientes de purga y permeado, el divisor puede estar descentrado o colocado separado del centro, de manera que los volúmenes de líquido que se aíslan en el separador para la fracción pesada de la corriente de purga y la fracción pesada de la corriente de permeado son desiguales. Por ejemplo, el volumen de líquido aislado para la primera puede ser menor que el volumen de líquido aislado para la segunda, particularmente, en el caso de procesos que funcionan con productividades netas de etanol relativamente altas, tales como de al menos 55 gramos/día, por litro de volumen de biorreactor, requiriendo caudales de corriente de permeado relativamente altos.

El divisor puede extenderse hasta una altura axial que sea inferior a la altura axial del propio separador, de manera que las fracciones gaseosas de las corrientes de purga y de permeado, en contraste con las fracciones líquidas de estas corrientes, puedan combinarse. La entrada de energía en un solo separador (p. ej., incluida la energía a uno o más calderines de una columna de destilación de baja presión, utilizada para calentar una o ambas fracciones líquidas) se puede utilizar, por tanto, de manera eficiente para obtener una fracción ligera del separador enriquecida en etanol o isopropanol y obtenida tanto de la corriente de purga como de la corriente de permeado, o de otras partes de una o ambas de estas corrientes, simultáneamente. En este sentido, los aspectos de la invención aprovechan las características particulares de las corrientes de purga y permeado en la recuperación de etanol o isopropanol, en concreto, sus diferentes composiciones en términos de componentes no volátiles (y, particularmente, la concentración de bacterias), pero sus composiciones similares, o idénticas, en términos de proporciones de componentes volátiles (y, particularmente, concentraciones de etanol o isopropanol, agua y ácido acético sobre una base libre de bacterias). Dichas características se utilizan como base para obtener una integración de calor eficaz y otras ventajas, incluida la capacidad y/o el costo reducidos del equipo, de acuerdo con los procesos y aparatos asociados descritos en el presente documento.

Estas y otras realizaciones, aspectos y ventajas relacionados con la presente invención son evidentes a partir de la siguiente descripción detallada.

Breve descripción de los dibujos

Puede adquirirse una comprensión más completa de las realizaciones ilustrativas de la presente invención y las ventajas de la misma haciendo referencia a la siguiente descripción en consideración de las figuras adjuntas, en las que las mismas características o características similares se identifican con números de referencia iguales o similares.

La Figura 1 representa un sistema de biorreactores representativo que utiliza dos biorreactores, que proporcionan una corriente de purga y una corriente de permeado como se describe en el presente documento.

La Figura 2 representa un proceso de acuerdo con el diagrama de flujo esquemático representativo ilustrado y el equipo asociado, para recuperar etanol utilizando un separador de baja presión que comprende un divisor.

La Figura 3 representa un proceso de acuerdo con el diagrama de flujo esquemático representativo ilustrado y el equipo asociado, para recuperar etanol de un sistema de biorreactores como se muestra en la Figura 1, y particularmente, de la corriente de purga y la corriente de permeado extraídas de este sistema.

Las Figuras 1 a 3 deben entenderse que presentan una ilustración de la divulgación y/o de los principios implicados. Para facilitar la explicación y la comprensión, se representan esquemas de flujo de proceso y equipos simplificados, y estas cifras no están necesariamente dibujadas a escala. No se muestran detalles que incluyen válvulas, la instrumentación y otros equipos que no son esenciales para la comprensión de la divulgación. Las Figuras están dirigidas a los procesos de producción y recuperación de etanol, sin embargo, se considera que la divulgación y los principios implicados son igualmente aplicables a la producción de isopropanol. Como es fácilmente evidente para un experto en la materia que tenga conocimiento de la presente divulgación, los procesos para recuperar etanol de corrientes producidas en sistemas de biorreactores de una manera rentable para el equipo y/o de una manera rentable para su utilidad, de acuerdo con otras realizaciones de la invención, tendrá determinadas configuraciones, en parte, por su uso específico.

Descripción detallada

Las realizaciones ilustrativas de la invención están dirigidas a un proceso de conversión biológica que comprende introducir un sustrato a un sistema de biorreactores que comprende al menos un primer biorreactor que incluye un medio de cultivo y una bacteria para metabolizar una fuente de carbono en el sustrato y producir al menos un producto de fermentación. Los procesos comprenden además extraer del sistema de biorreactores una corriente de purga que comprende bacterias fijadoras de C1, y también extraer del sistema de biorreactores una corriente de permeado obtenida de la filtración de un producto líquido del sistema de biorreactores. Los procesos comprenden además introducir la corriente de purga y la corriente de permeado a un separador de baja presión que comprende un divisor configurado para aislar (p. ej., separar, de manera estanca a los líquidos), en una sección inferior, una fracción líquida de la corriente de purga de una fracción líquida de la corriente de permeado. Por ejemplo, la fracción líquida de la corriente de purga puede proporcionar un primer volumen de líquido en comunicación fluida con la corriente de purga, y la fracción líquida de la corriente de permeado puede proporcionar un segundo volumen de líquido en comunicación fluida con la corriente de permeado. El divisor también se puede configurar para combinar, en una sección superior, una fracción gaseosa de la corriente de purga con una fracción gaseosa de la corriente de permeado. Por ejemplo, una fracción gaseosa combinada de la corriente de purga y la corriente de permeado puede proporcionar un volumen gaseoso en comunicación fluida con una fracción ligera del separador de baja presión.

En realizaciones particulares de la invención, el proceso comprende además separar la corriente de permeado en al menos una primera parte de permeado y una segunda parte de permeado e introducir la primera parte de permeado en un separador de alta presión (p. ej., columna de destilación de alta presión) e introducir la segunda parte de permeado en un separador de baja presión (p. ej., columna de destilación de baja presión).

En realizaciones particulares de la invención, los procesos de conversión biológica comprenden introducir un sustrato gaseoso que contiene C1 en un sistema de biorreactores que comprende al menos (i) un primer biorreactor que incluye un medio de cultivo y bacterias fijadoras de C1 (células o biomasa), que pueden encontrarse en el primer biorreactor y, opcionalmente, (ii) un segundo biorreactor o biorreactores adicionales aguas abajo, utilizándose los biorreactores para metabolizar un componente C1 en el sustrato que contiene C1 y, de ese modo, producir etanol. En realizaciones que implican el uso de un separador de alta presión (p. ej., columna de destilación de alta presión) para purificar etanol de una primera parte de permeado y un separador de baja presión (p. ej., columna de destilación de baja presión) para purificar el etanol de una segunda parte de permeado, junto con la purificación de etanol de al menos una parte de la corriente de purga, la integración de calor puede incluir la utilización de calor generado en uno de los separadores para su consumo en el otro separador. Ventajosamente, la temperatura del condensador del separador de alta presión puede ser superior a la temperatura del calderín del separador de baja presión, de manera que al menos una parte del calor del condensador del separador de alta presión se pueda consumir como calor del calderín en el calderín del separador de baja presión o, si no, en al menos un calderín del separador de baja presión (p. ej., un calderín de purga del separador de baja presión utilizado para vaporizar al menos una parte de una corriente de salida de líquido de purga del separador de baja presión y/o un calderín de permeado del separador de baja presión utilizado para vaporizar al menos una parte de un flujo de salida de líquido de permeado del separador de baja presión) si se usa más de un calderín. En algunas realizaciones, por ejemplo, realizaciones que no implican separar una corriente de permeado, el proceso no incluye un separador adicional para fraccionar una parte de la corriente de permeado. Por lo tanto, por ejemplo, se puede introducir toda la corriente de permeado en un separador que comprende un divisor como se ha descrito anteriormente. Más particularmente, las corrientes de permeado y de purga pueden introducirse en lados opuestos del divisor, colocado dentro de un separador que se utiliza para procesar conjuntamente estas corrientes.

Aún otras realizaciones de la invención se dirigen a aparatos de conversión biológica que comprenden un sistema de biorreactores que comprende (i) una entrada (p. ej., en comunicación fluida con al menos uno, al menos dos y/o todos los biorreactores del sistema de biorreactores) para introducir un sustrato en el sistema de biorreactores, (ii) al menos un primer biorreactor para contener un medio de cultivo y bacterias para metabolizar un componente de carbono en el sustrato y producir un producto final deseado, (iii) un sistema de filtración para filtrar un producto líquido del sistema de biorreactores, (iv) una salida de corriente de purga (p. ej., en comunicación fluida con al menos un biorreactor del sistema de biorreactores) para extraer una corriente de purga que comprenda bacterias y (v) una salida de corriente de permeado en comunicación fluida con un lado de permeado del sistema de filtración para extraer una corriente de permeado del sistema de biorreactores. Los aparatos pueden comprender opcionalmente un conducto de reciclaje en comunicación fluida con un lado de retenido del sistema de filtración para mantener una parte de reciclaje de bacterias en el sistema de biorreactores. En aspectos particulares, el aparato de conversión biológica comprende un sistema de biorreactores que comprende (i) una entrada para introducir un sustrato que contiene c 1, en el sistema de biorreactores, (ii) al menos un primer biorreactor para contener un medio de cultivo y bacterias fijadoras de C1 para metabolizar un componente C1 en el sustrato que contiene C1 y producir al menos un producto seleccionado del grupo que consiste en etanol, isopropanol y mezclas de los mismos.

Los aparatos representativos comprenden además un separador de baja presión que tiene un divisor dispuesto en una sección inferior del mismo y configurado para aislar (i) un primer volumen de líquido en comunicación fluida con (A) la salida de la corriente de purga, en una entrada de corriente de purga del separador de baja presión colocada en la sección inferior y (B) una salida de líquido de purga del separador de baja presión colocada debajo de la entrada de corriente de purga de baja presión de (ii) un segundo volumen de líquido en comunicación fluida con (A) la salida de corriente de permeado, en una entrada de corriente de permeado del separador de baja presión colocada en la sección inferior y (B) una salida de líquido de permeado del separador de baja presión colocada debajo de la entrada de corriente de permeado del separador de baja presión.

De acuerdo con determinadas realizaciones, el separador de baja presión puede configurarse para combinar, en una sección superior del mismo (p. ej., una sección que reside por encima del divisor o que reside a una altura axial que es superior a la que se extiende el divisor), una primera fracción gaseosa por encima del primer volumen de líquido con una segunda fracción gaseosa por encima del segundo volumen de líquido y para proporcionar un volumen gaseoso combinado en comunicación fluida con una salida de vapor del separador de baja presión, por ejemplo, en la sección superior, tal como en o cerca de la parte superior del separador de baja presión. El separador de baja presión puede configurarse con un condensador del separador de baja presión en comunicación fluida con la salida de vapor del separador de baja presión y tanto (i) un conducto de reflujo de fracción ligera del separador de baja presión como (ii) un conducto de fracción ligera del separador de baja presión. El separador de baja presión también puede configurarse con un calderín de purga del separador de baja presión en comunicación fluida con la salida de líquido de purga del separador de baja presión y tanto (i) un conducto de reflujo de líquido de purga del separador de baja presión como (ii) un conducto de fracción pesada de purga del separador de baja presión. El separador de baja presión puede configurarse además con un calderín de permeado del separador de baja presión en comunicación fluida con la salida de líquido de permeado del separador de baja presión y tanto (i) un conducto de reflujo de líquido de permeado del separador de baja presión como (ii) un conducto de fracción pesada de permeado del separador de baja presión. En lugar de configurarse tanto con un calderín de purga del separador de baja presión como con un calderín de permeado del separador de baja presión, el separador de baja presión puede configurarse alternativamente con un calderín del separador de baja presión en comunicación fluida con la salida de líquido de purga del separador de baja presión y la salida de líquido de permeado del separador de baja presión, Además del conducto de reflujo de líquido de purga del separador de baja presión y el conducto de flujo de líquido de permeado del separador de baja presión, así como el conducto de fracción pesada de purga del separador de baja presión y el conducto de fracción pesada de permeado del separador de baja presión.

Los aparatos representativos pueden comprender, opcionalmente, además un separador de alta presión que tiene (i) una entrada de la primera parte de permeado en comunicación fluida con la salida de la corriente de permeado, para recibir una primera parte de permeado de la corriente de permeado y hacer pasar una segunda parte de permeado de la corriente de permeado a la entrada de la corriente de permeado del separador de baja presión, (ii) una salida de vapor del separador de alta presión (por ejemplo, en la sección superior, tal como en o cerca de la parte superior del separador de alta presión) y (iii) una salida de líquido del separador de alta presión (por ejemplo, en la sección inferior, tal como en o cerca del fondo). La entrada de la primera parte de permeado se coloca normalmente debajo de la salida de la fracción ligera del separador de alta presión y por encima de la salida de la fracción pesada del separador de alta presión. El separador de alta presión puede configurarse con un condensador del separador de alta presión en comunicación fluida con la salida de vapor del separador de alta presión y tanto (i) un conducto de reflujo de fracción ligera del separador de alta presión como (ii) un conducto de fracción ligera del separador de alta presión. El separador de alta presión también puede configurarse con un calderín del separador de alta presión en comunicación fluida con la salida de líquido del separador de alta presión y tanto (i) un conducto de reflujo de líquido del separador de alta presión como (ii) un conducto de fracción pesada del separador de alta presión. Cualquiera de, o cualquier combinación de, el condensador del separador de baja presión, el calderín de purga del separador de baja presión, el calderín de permeado del separador de baja presión y el calderín del separador de baja presión, tal como se ha descrito anteriormente, puede configurarse para proporcionar integración de calor con el condensador del separador de alta presión y/o el calderín del separador de alta presión, como se ha descrito anteriormente. De acuerdo con realizaciones ilustrativas, el condensador del separador de alta presión se puede configurar para transferir el calor generado en este condensador, para ser consumido en el calderín de purga del separador de baja presión y/o el calderín de permeado del separador de baja presión, o el calderín del separador de baja presión, como se ha descrito anteriormente.

Los aparatos representativos también pueden comprender, opcionalmente, una columna de deshidratación que tenga (i) una entrada de la columna de deshidratación en comunicación fluida tanto con la salida de fracción ligera del separador de baja presión como con la salida de fracción ligera del separador de alta presión, (ii) una salida de fracción ligera de la columna de deshidratación (por ejemplo, en la sección superior, tal como en o cerca de la parte superior) y (iii) una salida de fracción pesada de la columna de deshidratación (por ejemplo, en la sección inferior, tal como en o cerca del fondo). La entrada de la columna de deshidratación normalmente está colocada debajo de la salida de fracción ligera de la columna de deshidratación y por encima de la salida de fracción pesada de la columna de deshidratación. Los aparatos representativos pueden comprender, opcionalmente, además un segundo sistema de filtración en comunicación fluida con la salida de fracción pesada de purga del separador de baja presión, para filtrar una corriente de fracción pesada de purga del separador de baja presión, por ejemplo, para separar las bacterias fijadoras de C1 que se encuentran en esta corriente.

En vista de lo anterior, aspectos particulares de la invención están dirigidos a procesos de conversión biológica y aparatos asociados, en los que un sustrato que contiene C1 se introduce en un sistema de biorreactores que comprende al menos un biorreactor, para la producción de un producto de fermentación que se recupera del sistema de biorreactores en corrientes líquidas de permeado y purga. En aspectos particulares, el producto de fermentación se selecciona del grupo que consiste en etanol (C2H5ÓH) e isopropanol (C3H7OH). Los sistemas de biorreactores que comprenden múltiples (p. ej., dos o más, tales como dos, tres o cuatro) biorreactores pueden permitir ventajosamente el control por separado de las condiciones en cada biorreactor para lograr diferentes objetivos de procesamiento. Por ejemplo, en el caso de un sistema de biorreactores que comprende dos biorreactores, un primer biorreactor puede funcionar principalmente para el crecimiento del cultivo bacteriano que se suministra de forma continua o intermitente a un segundo biorreactor. El segundo biorreactor, a su vez, puede funcionar principalmente para la generación de etanol, es decir, la maximización del rendimiento del producto de etanol o isopropanol.

El uso de dichos sistemas de biorreactores, con un flujo paralelo del sustrato que contiene C1 a los biorreactores y un flujo en serie de productos líquidos desde un primer biorreactor a los biorreactores posteriores, tal como se ha descrito anteriormente, está asociado con altas concentraciones de productos de fermentación en la/s corriente/s de purga líquida/s y la/s corriente/s de permeado líquida/s que se extraen del sistema de biorreactores, como se describe en el presente documento. Con frecuencia, todo o prácticamente todo el etanol producido en un proceso de conversión biológica se recupera de las corrientes de purga y permeado extraídas de un biorreactor final, que, en concreto, es el biorreactor más aguas abajo del sistema de biorreactores (p. ej., en caso de que el biorreactor final sea un segundo biorreactor, colocado aguas abajo de un primer biorreactor, en un sistema de biorreactores que tiene dos y solo dos biorreactores). También es posible, sin embargo, que al menos una parte del etanol producido se recupere de una corriente de purga y/o una corriente de permeado extraídas del primer biorreactor y/o de cualquier biorreactor intermedio (aguas arriba del biorreactor final) de un sistema de biorreactores. En realizaciones representativas, el sustrato que contiene C1 es un sustrato gaseoso que comprende CO. En realizaciones representativas, cualquiera de dichas corrientes de purga y/o permeado, por ejemplo, extraídas de un biorreactor final, puede tener una concentración de etanol generalmente de al menos aproximadamente 40 gramos por litro (gramos/litro o g/l) (p. ej., de aproximadamente 40 a aproximadamente 95 g/l), normalmente al menos aproximadamente 50 g/l (p. ej., de aproximadamente 50 a aproximadamente 80 g/l), y con frecuencia al menos aproximadamente 60 g/l (p. ej., de aproximadamente 60 a aproximadamente 75 g/l). Cualquiera de dichas corrientes de purga y/o permeado, por ejemplo, extraídas de un biorreactor final, puede tener una proporción en peso del etanol con respecto al ácido acético generalmente de al menos aproximadamente 5:1 (p. ej., de aproximadamente 5:1 a aproximadamente 100:1), normalmente de al menos aproximadamente 7,5:1 (p. ej., de aproximadamente 7,5:1 a aproximadamente 50:1) y, con frecuencia, de al menos aproximadamente 10:1 (p. ej., de aproximadamente 10:1 a aproximadamente 50:1). En general, los métodos analíticos (p. ej., cromatografía de gases (GC, Gas Chromatography) o cromatografía de líquidos de alta presión (HPLC, High Pressure Liquid Chromatography), utilizados para determinar las concentraciones de etanol y otros metabolitos requieren muestras sin células y, por lo tanto, pueden requerir una separación inicial (p. ej., filtración por membrana) que se realizará en la corriente de purga para retirar las bacterias fijadoras de C1 (células o biomasa). Por consiguiente, las concentraciones de etanol y otros metabolitos, así como otras propiedades de las corrientes de purga descritas en el presente documento (p. ej., la proporción en peso de etanol:ácido acético) se expresan sobre una base exenta de biomasa.

Por lo tanto, la presente invención se refiere, en general, a procesos para producir un producto final deseado, tal como etanol o isopropanol, introduciendo una fuente de carbono C1 de un sustrato gaseoso que contiene C1 en un sistema de biorreactores que comprende uno o más biorreactores. En funcionamiento, el uno o más biorreactores comprenden un medio de cultivo líquido que contiene bacterias fijadoras de C1. Además del producto final deseado, los procesos descritos en el presente documento generan adicionalmente metabolitos no deseados o menos deseados. Los ejemplos de metabolitos que pueden generarse, además de un producto de fermentación deseado, son el acetato (por ejemplo, en forma de ácido acético), 2,3-butanodiol y lactato (p. ej., en forma de ácido láctico). También se puede generar CO2 gaseoso.

Las bacterias o microbios representativos de la invención pueden ser o pueden derivar de un microorganismo fijador de C1, un anaerobio, un acetógeno, un etanológeno, un carboxidótrofo y/o un metanótrofo. La Tabla 1 proporciona una lista representativa de microorganismos e identifica sus características funcionales.

1 Acetobacterium woodi puede producir etanol a partir de fructosa, pero no de gas.

2 No se ha investigado si Clostridium magnum puede crecer con CO.

3 Una cepa de Moorella thermoacetica, HUC22-1 de Moorella sp., se ha indicado que produce etanol a partir de gas.

4 No se ha investigado si Sporomusa ovata puede crecer con CO.

5 No se ha investigado si Sporomusa silvacetica puede crecer con CO.

6 No se ha investigado si Sporomusa sphaeroides puede crecer con CO.

"C1" se refiere a una molécula de un carbono, por ejemplo, CO, CO2, CH4 o CH3OH. "C1-oxigenado" se refiere a una molécula de un carbono que también comprende al menos un átomo de oxígeno, por ejemplo, CO, CO2 o CH3OH. "Fuente de carbono C1" se refiere a una molécula de carbono que sirve como fuente de carbono parcial o única para el microorganismo de la invención. Por ejemplo, una fuente de carbono C1 puede comprender uno o más de CO, CO2, CH4, CH3OH o CH2O2. Preferentemente, la fuente de carbono C1 comprende uno o ambos de CO y CO2. Un "microorganismo fijador de C1" es un microorganismo que tiene la capacidad de producir uno o más productos a partir de una fuente de carbono C1. Normalmente, el microorganismo de la invención es una bacteria fijadora de C1. En una realización preferida, el microorganismo de la invención deriva de un microorganismo fijador de C1 identificado en la Tabla 1.

Un "etanológeno" es un microorganismo que produce o es capaz de producir etanol. Normalmente, el microorganismo de la invención es un etanológeno. En una realización preferida, el microorganismo de la invención deriva de un etanológeno identificado en la Tabla 1.

Un "autótrofo" es un microorganismo capaz de crecer en ausencia de carbono orgánico. En cambio, los autótrofos utilizan fuentes de carbono inorgánico, tal como CO y/o CO2. Normalmente, el microorganismo de la invención es un autótrofo. En una realización preferida, el microorganismo de la invención deriva de un autótrofo identificado en la Tabla 1.

Un "carboxidótrofo" es un microorganismo capaz de utilizar CO como única fuente de carbono. Normalmente, el microorganismo de la invención es un carboxidótrofo. En una realización preferida, el microorganismo de la invención deriva de un carboxidótrofo identificado en la Tabla 1.

Un "metanótrofo" es un microorganismo capaz de utilizar metano como única fuente de carbono y energía. En determinadas realizaciones, el microorganismo de la invención deriva de un metanótrofo.

De manera más amplia, el microorganismo de la invención puede derivar de cualquier género o especie identificada en la Tabla 1.

En una realización preferida, el microorganismo de la invención deriva del grupo de Clostridia que comprende las especies Clostridium autoethanogenum, Clostridium Ijungdahlii y Clostridium ragsdalei. Estas especies fueron informadas y caracterizadas por primera vez por Abrini, Arch Microbiol, 161: 345-351, 1994 (Clostridium autoethanogenum), Tanner, Int J System Bacteriol, 43: 232-236, 1993 (Clostridium ljungdahlii), y Huhnke, documento WO 2008/028055 (Clostridium ragsdalei).

Estas tres especies tienen muchas similitudes. En particular, estas especies son todas miembros fijadores de C1, anaerobios, acetogénicos, etanológenos y carboxidotróficos del género Clostridium . Estas especies tienen genotipos y fenotipos y modos de conservación de energía y metabolismo fermentativo similares. Además, estas especies están agrupadas en el grupo I de homología de ARNr de los clostridios con ADN de ARNr 16S que es más del 99 % idéntico, tienen un contenido G+C en el ADN de aproximadamente el 22-30 % en moles, son grampositivas, tienen una morfología y un tamaño similares (células en crecimiento logarítmico entre 0,5-0,7 x 3-5 |jm), son mesofílicas (crecen óptimamente a 30-37 °C), tienen intervalos de pH similares de aproximadamente 4-7,5 (con un pH óptimo de aproximadamente 5,5-6), carecen de citocromos y conservan energía a través de un complejo de Rnf. También, se ha demostrado la reducción de ácidos carboxílicos en sus correspondientes alcoholes en estas especies (Perez, Biotechnol Bioeng, 110:1066-1077, 2012). De manera importante, estas especies también muestran un fuerte crecimiento autótrofo en gases que contienen CO, producen etanol y acetato (o ácido acético) como principales productos de fermentación y producen pequeñas cantidades de 2,3-butanodiol y ácido láctico en determinadas condiciones.

Sin embargo, estas tres especies también tienen varias diferencias. Estas especies se aislaron de diferentes fuentes: Clostridium autoethanogenum de tripa de conejo, Clostridium ljungdahlii de los desechos del gallinero y Clostridium ragsdalei de sedimentos de agua dulce. Estas especies difieren en la utilización de diversos azúcares (p. ej., ramnosa, arabinosa), ácidos (p. ej., gluconato, citrato), aminoácidos (p. ej., arginina, histidina) y otros sustratos (p. ej., betaína, butanol). Además, estas especies difieren en auxotrofia a determinadas vitaminas (p. ej., tiamina, biotina). Estas especies tienen diferencias en las secuencias de los ácidos nucleicos y de aminoácidos de los genes y proteínas de la vía Wood-Ljungdahl, aunque se ha encontrado que la organización general y el número de estos genes y proteínas es el mismo en todas las especies (Kopke, Curr Opin Biotechnol, 22: 320-325, 2011).

Por tanto, en resumen, muchas de las características de Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, o Clostridium ragsdalei no son específicas de esa especie, sino que son características bastante generales para este grupo de miembros fijadores de C1, anaerobios, acetogénicos, etanológenos y carboxidotróficos del género Clostridium . Sin embargo, ya que estas especies son, de hecho, distintas, la modificación o manipulación genética de una de estas especies puede no tener un efecto idéntico en otra de estas especies. Por ejemplo, se pueden observar diferencias en el crecimiento, rendimiento o producción del producto.

El microorganismo de la invención también puede derivar de un aislado o mutante de Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, o Clostridium ragsdalei. Los aislados y mutantes de Clostridium autoethanogenum incluyen JA1-1 (DSM10061) (Abrini, Arch Microbiol, 161: 345-351, 1994), LBS1560 (DSM19630) (documento WO 2009/064200) y LZ1561 (DSM23693). Los aislados y mutantes de Clostridium ljungdahlii incluyen ATc C 49587 (Tanner, Int J Syst Bacteriol, 43:232-236, 1993), PETCT (DSM13528, ATCC 55383), ERI-2 (ATCC 55380) (US 5.593.886), C-01 (ATCC 55988) (US 6.368.819), O-52 (ATCC 55989) (US 6,368,819) y OTA-1 (Tirado-Acevedo, "Production of bioethanol from synthesis gas using Clostridium ljungdahlii', PhD thesis, North Carolina State University, 2010). Los aislados y mutantes de Clostridium ragsdalei incluyen PI 1 (ATCC BAA-622, ATCC PTA-7826) (documento w O 2008/028055).

"Sustrato" se refiere a una fuente de carbono y/o de energía para el microorganismo de la invención. Normalmente, el sustrato es gaseoso y comprende una fuente de carbono C1, por ejemplo, CO, CO2 y/o CH4. Preferentemente, el sustrato comprende una fuente de carbono C1 de CO o CO CO2. El sustrato puede comprender además otros componentes no de carbono, tales como H2, N2 o electrones.

El sustrato generalmente comprende al menos alguna cantidad de CO, tal como aproximadamente un 1, 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 o 100 % en moles de CO. El sustrato puede comprender un intervalo de CO, tal como aproximadamente el 5-70, 20-80, 30-70 o 40-60 % en moles de CO. Preferentemente, el sustrato comprende aproximadamente el 40-70 % en moles de CO (p. ej., gas de acería o de alto horno), aproximadamente el 20-30 % en moles de CO (p. ej., gas de horno de oxígeno básico) o aproximadamente el 15-45 % en moles de CO (p. ej., gas de síntesis). En algunas realizaciones, el sustrato puede comprender una cantidad relativamente baja de Co , tal como aproximadamente el 1-10 o 1-20 % en moles de CO. El microorganismo de la invención normalmente convierte al menos una parte del CO del sustrato en un producto. En algunas realizaciones, el sustrato no comprende nada o sustancialmente nada (<1 % en moles) de CO.

El sustrato puede comprender cierta cantidad de H2. Por ejemplo, el sustrato puede comprender aproximadamente el 1, 2, 5, 10, 15, 20 o 30 % en moles de H2. En algunas realizaciones, el sustrato puede comprender una cantidad relativamente alta de H2, tal como aproximadamente el 60, 70, 80 o 90 % en moles de H2. En realizaciones adicionales, el sustrato no comprende nada o sustancialmente nada (<1 % en moles) de H2.

El sustrato puede comprender cierta cantidad de CO2. Por ejemplo, el sustrato puede comprender aproximadamente el 1-80 o 1-30 % en moles de CO2. En algunas realizaciones, el sustrato puede comprender menos de aproximadamente el 20, 15, 10 o 5 % en moles de CO2. En otra realización, el sustrato no comprende nada o sustancialmente nada (<1 % en moles) de CO2.

Aunque el sustrato es normalmente gaseoso, el sustrato también se puede proporcionar en formas alternativas. Por ejemplo, el sustrato se puede disolver en un líquido saturado con un gas que contiene CO usando un generador de dispersión de microburbujas. A modo de ejemplo adicional, el sustrato puede adsorberse sobre un soporte sólido.

El sustrato y/o la fuente de carbono C1 puede ser un gas residual obtenido como subproducto de un proceso industrial o de alguna otra fuente, tal como los de los gases de escape de los automóviles o la gasificación de biomasa. En determinadas realizaciones, el proceso industrial se selecciona del grupo que consiste en la fabricación de productos de metales ferrosos, tales como la fabricación de una acería, fabricación de productos no ferrosos, procesos de refinamiento de petróleo, gasificación de carbón, producción de energía eléctrica, producción de negro de carbón, producción de amoniaco, producción de metanol y fabricación de coque. En estas realizaciones, el sustrato y/o la fuente de carbono C1 puede capturarse del proceso industrial antes de ser emitido a la atmósfera, usando cualquier método conveniente.

El sustrato y/o la fuente de carbono C1 puede ser gas de síntesis, tal como el gas de síntesis obtenido por gasificación de carbón o residuos de refinería, gasificación de biomasa o material lignocelulósico, o reformado de gas natural. En otra realización, el gas de síntesis puede obtenerse de la gasificación de residuos sólidos urbanos o residuos sólidos industriales.

La composición del sustrato puede tener un impacto significativo sobre la eficacia y/o el coste de la reacción. Por ejemplo, la presencia de oxígeno (O2) puede reducir la eficacia de un proceso de fermentación anaerobia. Dependiendo de la composición del sustrato, puede ser deseable tratar, lavar o filtrar el sustrato para eliminar cualquier contaminante no deseado, tal como toxinas (por ejemplo, HCN, acetileno), componentes no deseados o partículas de polvo y/o aumentar la concentración de componentes deseables. Por ejemplo, el sustrato gaseoso que contiene C1 puede filtrarse (ponerse en contacto con un medio sólido, tal como carbón activado) o lavarse (ponerse en contacto con un medio líquido, tal como una solución acuosa de un ácido, una base, un agente oxidante o un agente reductor) usando métodos conocidos, o puede someterse de otro modo a adsorción para eliminar contaminantes adsorbidos preferentemente. La adsorción por cambio de presión (PSA, Pressure Swing Adsorption) y/o la adsorción por cambio de temperatura (TSA, Temperature Swing Adsorption), en particular, pueden usarse para eliminar contaminantes que son perjudiciales para el funcionamiento de las bacterias carboxidotróficas, tales como el cianuro de hidrógeno (HCN) y compuestos aromáticos, incluido el benceno, tolueno y/o xilenos (BTX). El sustrato preferentemente no incluye contaminantes, en la medida en que dichos contaminantes puedan tener un efecto adverso sobre el crecimiento de las bacterias carboxidotróficas (p. ej., uno o más contaminantes no están presentes a concentraciones o en cantidades tales que la tasa de crecimiento se reduzca en más del 10 % en un determinado conjunto de condiciones, en comparación con la tasa de crecimiento en las mismas condiciones, pero sin el/los contaminante/s.

Aunque realizaciones representativas de la invención desvelan el uso de fuentes de carbono C1 y bacterias fijadoras de C1, se considera que los aspectos de la invención se aplican a cualquier proceso de conversión biológica mediante el cual tanto una corriente de permeado como una corriente de purga se extraen de un biorreactor.

Los aspectos más amplios de la invención están destinados a capturar procesos de fermentación no gaseosos, así como microorganismos y materias primas aplicables al proceso de fermentación.

En aspectos particulares, el sustrato no gaseoso es un sustrato de carbohidrato y la bacteria es una bacteria capaz de fijar un sustrato de carbono en el sustrato de carbohidrato. Se conocen procesos para la conversión de sustratos de carbohidratos en productos, incluido etanol. Las materias primas de carbohidratos pueden incluir azúcares (por ejemplo, glucosa, sacarosa, fructosa, xilosa, arabinosa y glicerol) celulosa y biomasa (por ejemplo, almidón de maíz, caña de azúcar, residuos de cultivos tal como rastrojo de maíz y bagazo de caña de azúcar, cultivos de pastos cultivados específicamente y biomasa de plantas leñosas.

En aspectos particulares, el microorganismo aplicable al proceso de fermentación se selecciona del grupo que consiste en levadura, hongo, algas, cianobacterias o bacterias. Las bacterias ilustrativas, aplicables al proceso de fermentación, incluyen Escherichia coli, Klebsiella oxytoca, Bacillus subtilus, Zymomonas mobilis, Lacotococcus lactis y Clostridium acetobutylicum. Las levaduras de hongos ilustrativas incluyen especies del género Saccharomyces, Candida, Lipomyces, Rhodosporidium, Rhodotorula y Yarrowia.

En el contexto de un metabolito ácido que es el ácido acético, los términos "ácido acético" o "acetato" se refieren al acetato total presente en el medio de cultivo, ya sea en su forma aniónica (disociada) (es decir, en forma de ion acetato o CH3COO-) o en forma libre, ácido acético molecular (CH3COOH), dependiendo la proporción de estas formas del pH del sistema. Las expresiones "ácido láctico" y "lactato" se utilizan de forma análoga, para referirse al lactato total presente en el medio de cultivo. Como se describe a continuación, se puede usar un agente neutralizante básico tal como hidróxido de sodio acuoso (NaOH) para controlar el pH del medio de cultivo en un biorreactor dado (p. ej., a un valor de pH que puede estar entre pH = 4,0 y pH = 8,0), p. ej. neutralizando el ácido acético y, opcionalmente, otros componentes ácidos menores. Los intervalos de pH representativos a los que se mantienen los biorreactores para llevar a cabo los procesos descritos en el presente documento son de aproximadamente 4,5 a aproximadamente 7,0, tal como de aproximadamente 4,5 a aproximadamente 6,5.

Un tipo específico de biorreactor que es particularmente útil en la práctica de la presente invención es un reactor de circuito circular que se basa en un gradiente de densidad entre una sección de densidad relativamente baja dentro de un tubo ascendente y una sección de densidad relativamente alta dentro de uno o más, tubos descendentes internos o externos. Tanto la sección ascendente como la sección descendente incluyen medio de cultivo líquido en una zona de fase líquida continua, pero el sustrato gaseoso que contiene C1 normalmente se distribuye únicamente (p. ej., burbujeado) en la parte inferior de la sección del tubo ascendente. Las burbujas de gas ascendentes se limitan a esta sección durante su movimiento ascendente a través de la zona de fase líquida continua, hasta que cualquier gas no consumido y no disuelto se libere en una zona de fase gaseosa continua (es decir, espacio de vapor o espacio vacío) por encima del nivel del líquido. La circulación de líquido descendente, a través de un tubo descendente de líquido interno o externo, puede incluirse o asistirse por una bomba de circuito opcional.

El término "biorreactor", así como cualquier biorreactor que pueda incluirse como parte de un "sistema de biorreactores", no se limita a un reactor de circuito circulante, pero más ampliamente incluye cualquier recipiente adecuado, o sección dentro de un recipiente, para mantener un volumen líquido de medio de cultivo con bacterias fijadoras de C1 que se puede utilizar para llevar a cabo los procesos biológicos descritos en el presente documento, que también pueden denominarse procesos de fermentación en la medida en que generalmente se realizan de forma anaerobia. Los tipos particulares de biorreactores pueden incluir cualquier recipiente adecuado para el contacto de dos fases (gas-líquido), por ejemplo, reactores de flujo a contracorriente (p. ej., con una fase de vapor que fluye hacia arriba y una fase líquida que fluye hacia abajo) o reactores de flujo en corrientes paralelas (p. ej., con fases líquidas y gaseosas que fluyen hacia arriba). En dichos recipientes de contacto de dos fases, es posible que la fase líquida sea la fase continua, como en el caso de las burbujas de gas que fluyen a través de una columna de líquido en movimiento. De otro modo, es posible que la fase de vapor sea la fase continua, como en el caso de un líquido disperso (p. ej., en forma de gotitas) que fluye a través de un espacio de vapor. En algunas realizaciones, pueden usarse diferentes zonas de un biorreactor para contener una fase líquida continua y una fase gaseosa continua.

Los ejemplos específicos de biorreactores incluyen los reactores de tanque agitado continuo (CSTR, Continuous Stirred Tank Reactors), reactores de células inmovilizadas (ICR, Immobilized Cell Reactors), reactores de lecho permeable (TBR, Trickle Bed Reactors), reactor de biopelícula de lecho móvil (MBBR, Moving Bed Biofilm Reactor), columnas de burbujeo, fermentadores de elevación de gas y reactores de membrana, tales como biorreactores de membrana de fibra hueca (HFMBR, HollowFiber Membrane Bioreactors). Los biorreactores adecuados pueden incluir mezcladores estáticos u otros recipientes y/o dispositivos (p. ej., torres o disposiciones de tuberías), adecuados para poner en contacto el sustrato gaseoso que contiene C1 con un medio de cultivo y, particularmente, las bacterias fijadoras de C contenidas en el mismo (p. ej., con cinéticas de disolución y transporte de masa favorables para llevar a cabo el proceso de conversión biológica). Un sistema de biorreactores puede comprender dos o más biorreactores de diferentes tipos, aunque generalmente todos los biorreactores de un sistema de biorreactores son de un tipo (p. ej., reactores de circuito circulante).

Algunas corrientes de proceso adecuadas, los parámetros de funcionamiento y el equipo para su uso en los procesos biológicos descritos en el presente documento se describen en la publicación de solicitud de patente de EE. UU. n.° US2011/0212433, que se incorpora en el presente documento por referencia en su totalidad. Uno o más biorreactores, por ejemplo todos los biorreactores, de los sistemas de biorreactores descritos en el presente documento pueden tener una presión superior a la atmosférica, por ejemplo, generalmente en el intervalo de aproximadamente 50 kPag (en el que la notación "kPag" pretende indicar unidades de presión manométrica en kPa) hasta aproximadamente 1.000 kPag y, con frecuencia, en el intervalo de aproximadamente 200 kPa a aproximadamente 800 kPag. Uno o más biorreactores y, preferentemente, todos los biorreactores, de los sistemas de biorreactores descritos en el presente documento tienen una temperatura del caldo de fermentación que es adecuada para la vitalidad y el crecimiento de las bacterias fijadoras de C l. Las temperaturas representativas están en un intervalo de aproximadamente 25 °C a aproximadamente 45 °C y, más normalmente, de aproximadamente 30 °C a aproximadamente 40 °C.

Los sistemas de biorreactores con múltiples biorreactores que funcionan en serie con respecto al flujo de entradas y salidas de líquidos y que también funcionan en paralelo con respecto al flujo de alimentadores y productos gaseosos, como se describe en el presente documento, pueden proporcionar una utilización general favorable de C1. La utilización general de C1 se refiere al porcentaje de C1 que se introduce en el sistema de biorreactores (p. ej., la fuente total de carbono C1 del sustrato que contiene C1 que se introduce en los biorreactores), y se utiliza en la conversión en productos de fermentación. (p. ej., etanol o isopropanol) y otros metabolitos de las bacterias. Si la composición combinada del producto gaseoso extraído del sistema de biorreactores (es decir, la/s corriente/s de salida de gas combinada/s extraída/s de los biorreactores) son conocidas o pueden calcularse (p. ej., basándose en los caudales y las composiciones de la/s corriente/s de salida de gas), entonces la utilización total de CO se puede calcular como:

1 -(tasa de CO extraído del sistema)/(tasa de CO introducido en el sistema).

La utilización general de CO se determina "por pasada" o "una vez", sin tener en cuenta el uso de reciclaje de productos gaseosos (y gastos adicionales) que pueden proporcionar valores de utilización total más altos. De acuerdo con realizaciones representativas, la utilización de CO por las bacterias fijadoras de C1 es generalmente de al menos aproximadamente el 35 % (p. ej., de aproximadamente el 35 % a aproximadamente el 85 %), normalmente al menos aproximadamente el 50 % (p. ej., de aproximadamente el 50 % a aproximadamente el 80 %) y, con frecuencia, al menos aproximadamente el 6o % (p. ej., de aproximadamente el 60 % a aproximadamente el 75 %). En algunos casos, la utilización de CO puede ser de al menos aproximadamente el 70 %.

La Figura 1 representa un sistema de biorreactores 100 representativo que comprende un primer biorreactor 10 y un segundo biorreactor 20. Como se muestra, el sustrato 12 que contiene CO del sistema de biorreactores 100 se divide en una corriente de entrada de gas 14 del primer biorreactor separada y en una corriente de entrada de gas 14' del segundo biorreactor, que se introducen, respectivamente, en el primer y el segundo biorreactor 10, 20 a través de sus respectivas entradas de gas 16, 16', colocadas cerca de la fracción pesada de los biorreactores 10, 20. Las corrientes de entrada de gas 14, 14' pueden introducirse a través de distribuidores de gas correspondientes, tales como rociadores, colocados en las entradas de gas 16, 16' y configuradas para producir burbujas finas (no mostradas) de sustrato que contiene CO en las respectivas zonas de fase líquida continua 18, 18' de los biorreactores 10, 20 y mejorar así la transferencia de masa gas-líquido.

Tal como se ha descrito anteriormente, la concentración de bacterias en las zonas de fase líquida continua 18, 18' de los biorreactores 10, 20 se puede mantener a niveles variables de productividad de etanol (correspondientes a velocidades de extracción de producto líquido variables) proporcionando un medio mediante el cual se puedan extraer partes de líquido filtradas y no filtradas. En la realización representada en la Figura 1, el primer sistema de filtración 25 del biorreactor, en comunicación con la zona de fase líquida continua 18, permite la extracción de la corriente de permeado intermedia 28, que está filtrada y sustancialmente sin bacterias fijadoras de C1. La corriente de retenido 36 del primer biorreactor permite el retorno de las bacterias filtradas al primer biorreactor 10. Los productos líquidos extraídos del primer biorreactor 10 pueden, por tanto, comprender tanto la corriente de permeado intermedia 28 como la corriente de purga intermedia 26, que no está filtrada y contiene bacterias fijadoras de C1 (biomasa) sustancialmente a la misma concentración que en el caldo de fermentación en la zona de fase líquida continua 18 del primer biorreactor 10. Las cantidades relativas del producto líquido intermedio 32 extraídas del primer biorreactor 10 como corriente de purga intermedia 26 y corriente de permeado intermedia 28 pueden controlarse para cumplir los objetivos de mantener una concentración de biomasa deseada y una tasa de eliminación de producto deseada (p. ej., etanol o isopropanol). Del mismo modo, el segundo sistema de filtración 25' del biorreactor, en comunicación con la zona de fase líquida continua 18', permite la extracción de la corriente de purga 40 y la corriente de permeado 50 de un biorreactor final del sistema de biorreactores 100, con el retorno de la corriente de retenido 36' del segundo biorreactor a la zona de fase líquida continua 18' del segundo biorreactor 20.

Se puede introducir medio de cultivo líquido, a través de la entrada de medio de cultivo 34 en el sistema de biorreactores 100, y en particular, en el primer biorreactor 10, para suministrar nutrientes para mantener el crecimiento bacteriano y reemplazar el volumen de líquido perdido en el producto líquido intermedio 32 extraído del primer biorreactor 10, cuya totalidad o una parte pueden pasarse al segundo biorreactor 20. Opcionalmente, el medio de cultivo líquido puede igualmente introducirse en el sistema de biorreactores 100 a través de la entrada de medio de cultivo 34' separada en el segundo biorreactor 20. Opcionalmente, pueden extraerse partes de la corriente de purga intermedia 26 y/o la corriente de permeado intermedio 28 del sistema de biorreactores 100 (p. ej., para el análisis y la monitorización del proceso), sin pasar al segundo biorreactor 20.

Las corrientes de salida de gas 38, 38' pueden extraerse de los conductos en comunicación fluida con las correspondientes zonas continuas de fase gaseosa 22, 22', constituyendo volúmenes de espacio vacío del biorreactor por encima de las zonas de fase líquida continua 18, 18' que comprenden el medio de cultivo y las bacterias fijadoras de C1 (es decir, que comprende caldo de fermentación), a través del cual pasa el sustrato que contiene C1 como una fase gaseosa dispersa. Las corrientes de salida de gas 38, 38' pueden extraerse por separado del sistema de biorreactores 100 o, como se ilustra en la realización de la Figura 1, combinarse y después extraerse como salida de producto gaseoso 24. Las corrientes de salida de gas o, de otro modo, la salida de producto gaseoso 24, pueden comprender uno o más de, por ejemplo, la totalidad de, (i) componentes C1 sin reaccionar que pasan a través del caldo de fermentación sin ser metabolizados (es decir, sin consumirse en el proceso de conversión biológica), (ii) componentes del sustrato que contiene C1 que sustancialmente no participan en (es decir, que son sustancialmente inertes para) el proceso de conversión biológica (p. ej., N2), (iii) CO2 producido como metabolito del proceso de conversión biológica, (iv) vapor de agua del medio de cultivo acuoso y (v) diversos componentes del sustrato que contiene C1 que están presentes en cantidades menores o ínfimas (p. ej., H2, H2S, NH3, HCN).

Por consiguiente, la Figura 1 representa un sistema de biorreactores 100 en el que el sustrato gaseoso 12 que contiene C1 se puede introducir en paralelo en el primer y segundo biorreactor 10, 20, mientras que los productos líquidos, que pueden incluir bacterias fijadoras de C1 (biomasa), se pueden introducir sucesivamente desde el primer biorreactor 10 en el segundo biorreactor 20. En la realización de la Figura 1, el biorreactor final, del cual la corriente de purga 40 y la corriente de permeado 50 se extraen del sistema de biorreactores 100, es concretamente el segundo biorreactor 20. En realizaciones alternativas que tienen sistemas de biorreactores con biorreactores adicionales (p. ej., tres o cuatro biorreactores) y, específicamente, uno o más biorreactores intermedios aguas abajo de un primer biorreactor y aguas arriba de un biorreactor final, las alimentaciones gaseosas y líquidas pueden introducirse en dichos biorreactores intermedios de manera similar, y los productos gaseosos y líquidos pueden extraerse de dichos biorreactores intermedios de manera similar. Los productos líquidos intermedios, incluyendo corrientes intermedias de purga y permeado, pueden pasar a y desde sucesivos biorreactores intermedios de una manera similar. En general, uno o más metabolitos (p. ej., etanol) del sistema de biorreactores 100 se recuperan de las corrientes de purga y permeado, o partes de las mismas, extraídas de un biorreactor final, tal como la corriente de purga 40 y la corriente de permeado 50 extraídas del segundo biorreactor 20 en la realización de la Figura 1. Opcionalmente, dichos metabolitos también pueden recuperarse de corrientes de purga y/o permeado, o partes de las mismas, extraídas de uno o más biorreactores distintos de un biorreactor final.

La Figura 1, por lo tanto, ilustra esquemáticamente diversas corrientes de alimentación que se introducen y corrientes de productos que se extraen de, un sistema de biorreactores representativo. Las realizaciones de la invención pueden incluir otras características no mostradas en la Figura 1, tales como el uso de (i) aditivos, incluyendo un agente neutralizante básico (p. ej., NH4OH o NaOH) y/o un agente antiespumante; (ii) sistemas de control (p. ej., circuitos de control de retroalimentación) y equipos asociados, instrumentación y software, para el control de los parámetros de funcionamiento (p. ej., pH, temperatura y/o nivel de líquido del caldo de fermentación); (iii) circuitos de reciclaje del biorreactor externo para mejorar la transferencia de masa entre fases; (iv) estructuras de biorreactores internas en las zonas de fase líquida continua (p. ej., placas horizontales y/o materiales de envasado) y/o en las zonas de fase continua de vapor (p. ej., distribuidores de líquido tales como cabezales de ducha) para mejorar la transferencia de masa entre fases; (v) sistemas de muestreo en línea para la monitorización continua del proceso y/o control automatizado; y/o (vi) reciclado de productos líquidos, extraídos de un biorreactor, a un biorreactor aguas arriba.

La recuperación de metabolitos tales como el etanol, de acuerdo con las realizaciones de la invención, se describe con mayor detalle con referencia a la Figura 2. Como se muestra, la totalidad o una parte del flujo de permeado 50, extraído del sistema de biorreactores 100 (Figura 1) y obtenido de la filtración de un producto líquido de este sistema, se introduce en el separador de baja presión 70, que comprende un divisor 80.

A diferencia de la corriente de permeado 50, la corriente de purga 40 comprende bacterias fijadoras de C1 (biomasa) y, en virtud del paso sucesivo de productos líquidos desde los biorreactores aguas arriba hacia los de aguas abajo, al menos una parte, o la totalidad, de la biomasa de la corriente de purga 40 puede ser biomasa que se encuentra originalmente en el primer biorreactor (p. ej., biorreactor 10 de la Figura 1). En general, la corriente de purga 40 puede ser cualquier producto líquido extraído del sistema de biorreactores 100 que comprenda caldo de fermentación (p. ej., como un producto líquido sin filtrar), incluida la biomasa, mientras que la corriente de permeado 50 puede ser cualquier producto líquido extraído del sistema de biorreactores 100 que comprenda un producto líquido filtrado que esté sustancialmente sin biomasa. Preferentemente, La corriente de purga 40 y la corriente de permeado 50 son productos líquidos obtenidos de un biorreactor posterior (p. ej., el segundo biorreactor 20 del sistema de biorreactores 100), dispuesto aguas abajo de un primer biorreactor, por ejemplo, con respecto a los flujos de producto líquido de un biorreactor al siguiente. La corriente de purga 40 y la corriente de permeado 50 pueden ser productos líquidos sin filtrar y filtrados, respectivamente, obtenidos directamente del sistema de biorreactores 100, o productos sin filtrar y filtrados de otro modo tras la (i) separación (p. ej., distinta de la filtración para retirar la biomasa), por ejemplo, en corrientes de la misma o diferentes composiciones y/o (ii) mezcla (p. ej., con otras corrientes de proceso o aditivos diferenciados).

Debido a la presencia de biomasa, los procesos de separación realizados en la corriente de purga 40, a diferencia de los realizados en la corriente de permeado 50, se llevan a cabo ventajosamente a temperaturas relativamente más bajas para reducir el ensuciamiento del equipo de separación. En consecuencia, una temperatura máxima del separador de baja presión 70, en el que se introduce la corriente de purga 40, es menor que la temperatura máxima del separador de alta presión 60, en el que se introduce la corriente de permeado 50, en ausencia de corriente de purga 40. De acuerdo con una realización, una temperatura máxima de un separador de baja presión, en el que se introduce la corriente de purga 40, es de aproximadamente 55 °C a aproximadamente 95 °C, por ejemplo, de aproximadamente 60 °C a aproximadamente 80 °C. De acuerdo con la misma realización o una alternativa, una temperatura máxima de un separador de alta presión 60 es de aproximadamente 95 °C a aproximadamente 125 °C o de aproximadamente 100 °C a aproximadamente 120 °C. En general, una temperatura de al menos una corriente de material asociada con el separador de alta presión 60 puede exceder una temperatura de al menos una corriente de material asociada con el separador de baja presión 70, de tal manera que el calor pueda transferirse del primero al segundo. De acuerdo con una realización particular, una temperatura mínima del separador de alta presión 60, por ejemplo, la temperatura del condensador 75 del separador de alta presión, puede exceder la temperatura máxima del separador de baja presión 70, por ejemplo, la temperatura del calderín de purga 45 del separador de baja presión y/o del calderín de permeado 55 del separador de baja presión, o simplemente del calderín del separador de baja presión, por ejemplo, si se utiliza un solo calderín para la vaporización parcial tanto de la corriente 71 de salida de purga del separador de baja presión como de la corriente 77 de salida del permeado del separador de baja presión.

Debido a que las corrientes de purga y permeado 40, 50 de otro modo incluyen agua y los mismos metabolitos que se van a recuperar, y considerando las diferencias descritas anteriormente con respecto a las temperaturas de funcionamiento de los separadores de alta y baja presión 60, 70, el uso de separaciones basadas en diferencias en la volatilidad relativa requiere presiones absolutas relativamente más bajas para realizar dichas separaciones en la corriente de purga, en comparación con las presiones utilizadas con respecto a la corriente de permeado. De acuerdo con una realización, el separador de baja presión 70 tiene una presión absoluta que es casi la presión atmosférica, por ejemplo, de aproximadamente 50 kPa a aproximadamente 150 kPa de presión absoluta o de aproximadamente 50 kPa a aproximadamente 100 kPa de presión absoluta. De acuerdo con la misma realización o una alternativa, el separador de alta presión 60 puede tener una presión absoluta mayor que la del separador de baja presión, pero menor que una presión a la que funciona un biorreactor final. Por ejemplo, el separador de alta presión puede tener una presión de aproximadamente 150 kPa a aproximadamente 650 kPa de presión absoluta o de aproximadamente 150 kPa a aproximadamente 500 kPa de presión absoluta. Como alternativa, el separador de baja presión 70 puede tener presión de vacío, es decir, una presión absoluta que está por debajo de la presión atmosférica, por ejemplo, de aproximadamente 20 kPa a aproximadamente 90 kPa de presión absoluta o de aproximadamente 30 kPa a aproximadamente 90 kPa de presión absoluta.

De acuerdo con la realización de la Figura 2, la corriente de purga 40, o al menos una parte de la misma, se introduce, junto con la corriente de permeado 50 en el separador de baja presión 70 (p. ej., una columna de destilación de baja presión combinada de permeado y purga). Se extrae la fracción ligera 62 del separador de baja presión (p. ej., en forma de una fracción de vapor) y, tal como se ha descrito anteriormente, está enriquecida en etanol, con relación tanto a la corriente de purga 40 como a la corriente de permeado 50. Debido a la presencia del divisor 80 en el separador de baja presión 70, la corriente de purga 40 y la corriente de permeado 50 se pueden procesar conjuntamente en el separador de baja presión 70, de manera que los niveles de líquido se puedan aislar en una sección inferior, considerando que las fracciones gaseosas que se volatilizan a partir de estos niveles de líquido (es decir, los niveles de líquido son, en concreto, fracciones líquidas de la corriente de purga y la segunda parte de permeado, que quedan tras la volatilización de las respectivas fracciones gaseosas) se pueden combinar en una sección superior. De esta manera, la fracción ligera 62 del separador de baja presión comprende etanol separado tanto de la corriente de purga 40 como de la corriente de permeado 50.

Más específicamente, el divisor 80 está configurado para aislar (p. ej., separar, de manera estanca), en una sección inferior A del separador de baja presión 70, la fracción líquida 82 de la corriente de purga 40 de la fracción líquida 84 de la corriente de permeado 50. El divisor 80 está configurado igualmente para proporcionar, en una sección superior B del separador de baja presión 70, la fracción gaseosa combinada 86 de la corriente de purga 40 y la corriente de permeado 50. Por consiguiente, la fracción líquida 82 de la corriente de purga 40 proporciona un primer volumen de líquido en comunicación fluida con la corriente de purga 40, y la fracción líquida 84 de la corriente de permeado 50 proporciona un segundo volumen de líquido en comunicación fluida con la corriente de permeado 50. De acuerdo con realizaciones específicas, el primer volumen puede ser inferior o superior al segundo volumen, y los volúmenes desiguales pueden adaptarse, al menos en parte, con el divisor 80 colocado en una ubicación no central dentro del separador de baja presión 70 (p. ej., colocándose de una manera en la que un eje vertical central del separador de baja presión está desplazado del divisor, de manera que no se crucen). De acuerdo con realizaciones particulares en las que altas productividades de metabolitos conducen direccionalmente a mayores caudales de la corriente de permeado con respecto a la corriente de purga, el primer volumen puede ser inferior al segundo volumen y el divisor puede estar desplazado del eje vertical central, en una dirección sesgada hacia la ubicación en la que la corriente de purga 40 entra en el separador de baja presión 70.

De acuerdo con una realización, el divisor 80 tiene la forma de una placa orientada verticalmente, extendiéndose hasta una altura en el separador de baja presión 70 que es inferior a su altura axial (p. ej., menos del 50 % o menos del 30 %, de la altura axial del separador de baja presión 70). Sin embargo, independientemente de la estructura específica del divisor 80, la fracción gaseosa combinada 86 de la corriente de purga 40 y de la corriente de permeado 50 puede proporcionar un volumen gaseoso en comunicación fluida con la fracción ligera 62 del separador de baja presión. También, de acuerdo con la realización de la Figura 2, tanto una fracción pesada de purga 64 del separador de baja presión como una fracción pesada de permeado 66 del separador de baja presión se pueden extraer del separador de baja presión 70. En vista de la descripción anterior, la fracción pesada de purga 64 del separador de baja presión puede comprender, o consistir esencialmente en, la fracción líquida 82 de la corriente de purga 40, y la fracción pesada de permeado 66 del separador de baja presión puede comprender, o consistir esencialmente en, la fracción líquida 84 de la corriente de permeado 50. La fracción líquida 82 de la corriente de purga 40 puede, por tanto, proporcionar un primer volumen de líquido, tal como se ha descrito anteriormente, que está en comunicación fluida con la corriente de purga 40, así como con la fracción pesada de purga 64 del separador de baja presión y/o la fracción líquida 84 de la corriente de permeado 50 puede/n proporcionar un segundo volumen de líquido, tal como se ha descrito anteriormente, en comunicación fluida con la corriente de perneado 50, así como con la fracción pesada de perneado 66 del separador de baja presión.

Ventajosamente, el procesamiento conjunto de la corriente de permeado 50 con al menos una parte de la corriente de purga 40, también extraída del sistema de biorreactores 100 (Figura 1), mejora la integración general del calor del proceso. De acuerdo con una realización particular, la integración de calor se basa en relacionar, o ajustar, el caudal de la corriente de permeado 50 al separador de baja presión 70, al menos en parte, basándose en el caudal de la corriente de purga 40 a este separador. Por ejemplo, un aumento en el caudal de la corriente de purga 40 puede ir acompañado de un aumento en el caudal de la corriente de permeado 50, basándose, opcionalmente, el control del caudal de la corriente de permeado 50 en una medición del caudal de la corriente de purga 40. Como alternativa, la integración de calor puede explicar la contribución relativamente mayor del caudal de la corriente de permeado a los caudales de corriente de purga y de corriente de permeado combinados, a mayores productividades de metabolitos (p. ej., etanol).

En una realización adicional, como se muestra en la Figura 3, toda o una parte de la corriente de permeado 50 se separa en al menos una primera parte de permeado 50' y una segunda parte de permeado 50". La segunda parte de permeado 50" se introduce en un separador de baja presión 70, junto con la corriente de purga 40, como se describe con respecto a la Figura 2 anterior. La primera parte de permeado 50' se introduce en un separador de alta presión 60. La separación de la corriente de permeado se refiere, por tanto, a dividir esta corriente en al menos dos partes y, con frecuencia, solamente en dos partes. "La separación" no excluye el uso de etapas opcionales, antes y/o después de dividir la corriente de permeado, cuyas etapas pueden afectar o no a la composición de la corriente de permeado y/o sus partes separadas. Dichas etapas opcionales incluyen, por ejemplo, (i) separar una o más partes adicionales (p. ej., una tercera parte) de la corriente de permeado y/o sus partes separadas (p. ej., para fines de muestreo) y/o (ii) mezclar la corriente de permeado y/o sus partes separadas con otras corrientes y/o aditivos diferenciados (p. ej., tensioactivos o agentes neutralizantes, tales como NH4OH o NaOH). En algunas realizaciones, sin embargo, una corriente de permeado extraída de un sistema de biorreactores puede separarse en sus partes separadas que se introducen en los separadores de alta y baja presión, sin que la corriente de permeado o sus partes se sometan a (i) y/o (ii) anteriores.

Los caudales relativos de la primera parte de permeado 50' al separador de alta presión 60 y la segunda parte de permeado 50" al separador de baja presión 70 pueden basarse en, o ajustarse de acuerdo con, el caudal total de la corriente de permeado 50 en relación con el caudal combinado de la corriente de purga 40 y la corriente de permeado 50. Por ejemplo, un aumento en el caudal total de la corriente de permeado 50 en relación con el caudal combinado de la corriente de purga 40 y la corriente de permeado 50 puede ir acompañado de un aumento en el caudal de la primera parte de permeado 50', con respecto a la segunda parte de permeado 50", basándose, opcionalmente, el control de la primera parte de permeado 50' y la segunda parte de permeado 50" en una medición del caudal total de la corriente de permeado 50 en relación con el caudal combinado de la corriente de purga 40 y la corriente de permeado 50. En cualquiera de los esquemas de control descritos anteriormente, el control puede realizarse de forma manual o automática, por ejemplo, usando un circuito de control de retroalimentación para ajustar los caudales, es decir, la separación, de la primera parte de permeado 50' y/o la segunda parte de permeado 50'' basándose en uno o más caudales medidos.

Pueden usarse separadores de alta y baja presión 60, 70 para purificar metabolitos (p. ej., etanol) de las corrientes de purga y permeado 40, 50 basándose en las diferencias en la volatilidad relativa. En el caso de la purificación de etanol, este metabolito puede ser relativamente más volátil que el agua y otros metabolitos tales como el ácido acético y el 2,3-butanodiol, como se ha descrito anteriormente. En consecuencia, el etanol puede estar enriquecido (es decir, estar presente a una concentración más alta) en un vapor de la fracción ligera, extraído del separador de alta y/o baja presión 60, 70, en comparación con la concentración de etanol de la corriente de permeado 50, introducida en el separador de alta presión 60, y/o de la corriente de purga 40, introducida en el separador de baja presión 70. Igualmente, el etanol puede estar empobrecido (es decir, estar presente a una concentración más baja) en el líquido de la fracción pesada, extraído del separador de alta y/o baja presión 60, 70, en comparación con la concentración de etanol de la corriente de permeado 50, introducida en el separador de alta presión 60, y/o la corriente de purga 40, introducida en el separador de baja presión 70. Los separadores de alta y baja presión 60, 70 incluyen recipientes de vaporización que realizan una separación basándose sustancialmente en una sola etapa teórica de equilibrio vaporlíquido. Preferentemente, sin embargo, los separadores de alta y baja presión 60, 70 son columnas de destilación que realizan una separación basándose en múltiples etapas teóricas de equilibrio vapor-líquido, usando opcionalmente entrada y salida de calor (p. ej., entrada de calor del calderín y salida de calor del condensador), vapor de la fracción ligera y reflujo de líquido de la fracción pesada, y estructuras internas tales como placas perforadas y/o materiales de envasado. Los separadores de alta y baja presión 60, 70, además de realizar separaciones basándose en múltiples etapas de equilibrio vapor-líquido, pueden, de acuerdo con algunas realizaciones, funcionar con la entrada de una corriente de gas auxiliar que fluye hacia arriba (como en el caso de una columna de destilación) o, alternativamente, con la entrada de una corriente de líquido auxiliar que fluye hacia abajo (como en el caso de una columna absorbente).

La primera parte de permeado 50' puede procesarse en un separador de alta presión 60 (p. ej., una columna de destilación de permeado a alta presión), para separar, o fraccionar, la primera parte de permeado 50' en al menos la fracción ligera 68 del separador de alta presión y la fracción pesada 52 del separador de alta presión, por lo que la fracción ligera 68 del separador de alta presión está enriquecida en etanol y la fracción pesada 52 del separador de alta presión está empobrecida en etanol, en relación con la corriente de permeado 50. Por tanto, tanto la fracción ligera 68 del separador de alta presión como la fracción pesada 52 del separador de alta presión pueden extraerse del separador de alta presión 60. La fracción pesada 52 del separador de alta presión puede combinarse con la fracción pesada de permeado 66 del separador de baja presión, de acuerdo con la realización de la Figura 3, ya que ambas corrientes están enriquecidos en agua, en relación con la corriente de permeado 50. la fracción pesada de permeado 54 neta puede reciclarse al sistema de biorreactores 100 (p. ej., usándose en la preparación de medio de cultivo) o enviarse a un proceso de tratamiento de aguas residuales. Igualmente, el etanol puede estar empobrecido (es decir, estar presente a una concentración más baja) en el líquido de la fracción pesada, extraído del separador de alta y/o baja presión 60, 70, en comparación con la concentración de etanol de la corriente de permeado 50, en el separador de alta presión 60 y/o en la corriente de purga 40 en el separador de baja presión 70.

Como se ilustra en la realización de la Figura 3, tanto el separador de alta presión 60 (p. ej., columna de destilación de alta presión) como el separador de baja presión 70 (p. ej., columna de destilación de baja presión) generalmente incluyen un condensador de la fracción ligera y un calderín de la fracción pesada. En el caso de un separador de baja presión 70 que tenga un divisor 80 dispuesto en el mismo como se ha descrito anteriormente con referencia a las Figuras 2 y 3, un calderín de purga 45 del separador de baja presión puede estar separado de un calderín de permeado 55 del separador de baja presión. Como alternativa, se puede utilizar un solo calderín de separador de baja presión. Estos calderines 45, 55 de separador de baja presión o un calderín combinado, en combinación con un condensador 65 del separador de baja presión, proporcionan sitios de consumo de calor en dichos calderines y sitios de generación de calor en dichos condensadores. Como se ilustra en la Figura 3, el condensador 75 del separador de alta presión también proporciona un lugar de generación de calor, y un calderín 85 del separador de alta presión también proporciona un lugar de consumo de calor. En vista de las diferencias en las temperaturas de funcionamiento entre el separador de alta presión 60 y el separador de baja presión 70, el calor puede transferirse entre estos separadores, por ejemplo, utilizando medios de transferencia de calor adecuados, tales como agua de refrigeración o vapor, para proporcionar la función de refrigeración o calefacción necesaria, respectivamente, de los condensadores y calderines, dando como resultado una integración de calor ventajosa que puede reducir los costes de funcionamiento.

Como se ilustra en las Figuras 2 y 3, uno o más de los siguientes pueden ser posibles, en vista del uso de condensadores de fracciones ligeras y calderines de fracciones pesadas: (i) la fracción ligera 62 del separador de baja presión, además de la parte de reflujo 63 de la fracción ligera del separador de baja presión, puede separarse de la corriente de salida de vapor 67 del separador de baja presión extraída del separador de baja presión 70, (ii) la fracción pesada de purga 64 del separador de baja presión, además de la parte de reflujo de líquido de purga 69 del separador de baja presión, puede separarse de la corriente de salida de líquido de purga 71 del separador de baja presión extraída del separador de baja presión 70, (iii) la fracción pesada de permeado 66 del separador de baja presión, además de la parte de reflujo de líquido de permeado 73 del separado de baja presión, puede separarse de la corriente de salida de líquido de permeado 77 del separador de baja presión extraída del separador de baja presión 70. Además, debido al uso de condensadores de fracciones ligeras y calderines de fracciones pesadas, también pueden ser posibles uno o más de los siguientes esquemas de flujo particulares: (i) la corriente de salida de vapor 67 del separador de baja presión se puede introducir en el condensador 65 del separador de baja presión para condensar al menos una parte de la misma, devolver la parte de reflujo de la fracción ligera 63 del separador de baja presión al separador de baja presión 70, y recuperar el calor del condensador 89 del separador de baja presión, (ii) la corriente de salida de líquido de purga 71 del separador de baja presión puede introducirse en el calderín de purga 45 del separador de baja presión para vaporizar al menos una parte de la misma, devolver la parte de reflujo de líquido de purga 69 del separador de baja presión al separador de baja presión 70, y consumir el calor del calderín de purga 96 del separador de baja presión, (iii) la corriente de salida de líquido de permeado 77 del separador de baja presión puede introducirse en el calderín de permeado 55 del separador de baja presión para vaporizar al menos una parte de la misma, devolver la parte de reflujo de líquido de purga 73 del separador de baja presión al separador de baja presión 70, y consumir el calor del calderín 97 del separador de baja presión.

Adicionalmente, como se ilustra en la Figura 3. (i) la fracción ligera 68 del separador de alta presión, además de la parte de reflujo de la fracción ligera 79 del separador de alta presión, puede separarse de la corriente de salida de vapor 81 del separador de alta presión extraída del separador de alta presión 60, y (ii) la fracción pesada 52 del separador de alta presión, además de la parte de reflujo de líquido 83 del separador de alta presión, puede separarse de la corriente de salida de líquido 87 del separador de alta presión extraída del separador de alta presión 60. Además, debido al uso de condensadores de fracciones ligeras y calderines de fracciones pesadas, también pueden ser posibles uno o más de los siguientes esquemas de flujo particulares: (i) la corriente de salida de vapor 81 del separador de alta presión se puede introducir en el condensador 75 del separador de alta presión para condensar al menos una parte de la misma, devolver la parte de reflujo de la fracción ligera 79 del separador de alta presión al separador de alta presión 60, y recuperar el calor del condensador 98 del separador de alta presión, y (ii) la corriente de salida de líquido 87 del separador de alta presión puede introducirse en el calderín 85 del separador de alta presión para vaporizar al menos una parte de la misma, devolver la parte de reflujo de líquido 83 del separador de alta presión al separador de baja presión 70, y consumir el calor del calderín 99 del separador de alta presión.

Las estrategias de integración de calor particularmente ventajosas implican la transferencia de calor desde el separador de alta presión al separador de baja presión, y especialmente desde el condensador 75 del separador de alta presión a un calderín de separador de baja presión 70 en caso de que la temperatura del primero exceda la temperatura de este último. Por consiguiente, al menos una parte del calor del condensador 98 del separador de alta presión puede consumirse como calor del calderín de permeado 96 del separador de baja presión o como calor del calderín de purga 97 del separador de baja presión. En caso de que se utilice un solo calderín de separador de baja presión, en el que se introduce la corriente de salida de líquido de purga 71 del separador de baja presión y la corriente de salida de líquido de permeado 77 del separador de baja presión para vaporizar partes de las mismas, para devolver la parte de reflujo de líquido de purga 69 del separador de baja presión y la parte de reflujo de líquido de permeado 73 del separador de baja presión al separador de baja presión 70, y para consumir el calor del calderín del separador de baja presión, entonces al menos una parte del calor del condensador 98 del separador de alta presión puede consumirse como calor para el calderín del separador de baja presión.

De acuerdo con la realización de la Figura 3, el etanol contenido tanto en la fracción ligera 62 del separador de baja presión como en la fracción ligera 68 del separador de alta presión puede representar una cantidad neta de etanol recuperado del sistema de biorreactores 100 y, en consecuencia, una productividad neta de etanol de este sistema. Tal como se ha descrito anteriormente, los sistemas de biorreactores de acuerdo con la presente invención pueden proporcionar ventajas en términos de integración de calor del proceso, particularmente, frente a los caudales de corriente de permeado relativamente altos, en comparación con los caudales de corriente de purga, con la compañía de altas productividades de etanol. Las productividades de etanol ilustrativas son generalmente de al menos aproximadamente 35 gramos por día por litro de volumen de biorreactor (g/día/l), por ejemplo, en el intervalo de aproximadamente 35 g/día/l a aproximadamente 80 g/día/l, normalmente, de al menos aproximadamente 45 g/día/l, por ejemplo, en el intervalo de aproximadamente 45 g/día/l a aproximadamente 75 g/día/l, y con frecuencia, de al menos aproximadamente 55 g/día/l, por ejemplo, en el intervalo de aproximadamente 55 g/día/l a aproximadamente 70 g/día/l. Al determinar la tasa de productividad basándose en el volumen del biorreactor, este volumen incluye las zonas de fase líquida continua 18, 18' y las zonas de fase gaseosa continua 22, 22' del o de los biorreactores usados en el sistema de biorreactores.

Tanto la fracción ligera 62 del separador de baja presión como la fracción ligera 68 del separador de alta presión, que están enriquecidas en etanol, pueden combinarse en la corriente de alimentación 72 de la columna de deshidratación. La columna de deshidratación fracciona esta corriente en la corriente de producto de etanol anhidro 76, que comprende etanol sustancialmente puro (p. ej., que tiene una pureza de al menos aproximadamente el 99 % en peso) y una corriente de agua residual 74.

De acuerdo con realizaciones adicionales, tanto la fracción pesada de purga 64 del separador de baja presión (p. ej., que comprende, o consiste esencialmente en, una fracción líquida de la corriente de purga 40) como la fracción pesada de permeado 66 del separador de baja presión (p. ej., que comprende, o consiste esencialmente en, una fracción líquida de la segunda parte de permeado 50") pueden extraerse del separador de baja presión 70. La fracción pesada de purga 64 del separador de baja presión puede pasar al sistema de separación de producto 90, que puede ser un sistema de filtración de membrana de producto, para la separación y retirada de la fracción de biomasa de la corriente de purga 78 (p. ej., como una fracción retenida obtenida del sistema de separación de producto 90) de la fracción líquida de la corriente de purga 88 (p. ej., como una fracción de permeado obtenida del sistema de separación de producto 90). La fracción líquida de la corriente de purga se puede reutilizar en el sistema de biorreactores 100 (p. ej., siguiendo una o más etapas de tratamiento para obtener agua adecuada para su uso en el sistema) o, alternativamente, se puede enviar a una instalación de tratamiento de aguas residuales. Al menos una parte de la fracción pesada 52 del separador de alta presión y/o al menos una parte de la fracción pesada de permeado 66 del separador de baja presión, como corrientes de agua sustancialmente pura que opcionalmente comprenden metabolitos de mayor punto de ebullición, tales como ácido acético y 2,3-butanodiol, puede/n reciclarse al proceso de biorreactores 100, opcionalmente, siguiendo una o más etapas de tratamiento. De acuerdo con la realización de la Figura 2, estas corrientes 52, 66 pueden combinarse en la fracción pesada de permeado neta 54, antes de dicho reciclaje y/o tratamiento. El agua de las corrientes 52, 66 se puede reciclar, por ejemplo, para la preparación de medio de cultivo nuevo.

En términos de aparatos de conversión biológica correspondientes a las realizaciones representadas en las Figuras 1-3, es evidente, a la vista de la descripción anterior, que dichos aparatos pueden comprender un sistema de biorreactores 100 que comprende (i) una entrada 12 para introducir un sustrato que contiene CO en el sistema de biorreactores 100, (ii) al menos un primer biorreactor 10 para contener un medio de cultivo y bacterias fijadoras de C1 para metabolizar el CO en el sustrato que contiene CO y producir etanol, (iii) un sistema de filtración 25' para filtrar un producto líquido del sistema de biorreactores, (iv) una salida de corriente de purga 40 para extraer una corriente de purga que comprende bacterias fijadoras de C1 y (v) una salida de corriente de permeado 50 en comunicación fluida con un lado de permeado del sistema de filtración 25' para extraer una corriente de permeado del sistema de biorreactores 100 y, opcionalmente, un conducto de reciclaje 36' en comunicación fluida con un lado de retenido del sistema de filtración 25' para mantener una parte de reciclaje de bacterias fijadoras de C1 en el sistema de biorreactores 100; y un separador de baja presión 70 que tiene un divisor 80 dispuesto en una sección inferior A del mismo y configurado para aislar (i) un primer volumen de líquido 82 en comunicación fluida con (I) la salida de corriente de purga 40, en una entrada de corriente de purga 91 del separador de baja presión colocada en la sección inferior A y (II) una salida de la fracción pesada de purga 64 del separador de baja presión colocada debajo de la entrada de corriente de purga 91 de baja presión desde (ii) un segundo volumen de líquido 84 en comunicación fluida tanto con (I) la salida de corriente de perneado 50, en una entrada de corriente de permeado 92 del separador de baja presión colocada en la sección inferior A y (II) una salida de fracción pesada del permeado 66 del separador de baja presión colocada debajo de la entrada de corriente de permeado 92 del separador de baja presión.

El separador de baja presión 70 puede configurarse para combinar, en una sección superior B del mismo, una primera fracción gaseosa por encima del primer volumen de líquido 82 con una segunda fracción gaseosa por encima del segundo volumen de líquido 84 y para proporcionar un volumen gaseoso combinado 86 en comunicación fluida con una salida de fracción ligera 62 del separador de baja presión.

El aparato puede comprender opcionalmente además un separador de alta presión 60 que tenga (i) una entrada de una primera parte de permeado 93 en comunicación fluida con la salida de la corriente de permeado 50, para recibir una primera parte de permeado de la corriente de permeado y hacer pasar una segunda parte de permeado de la corriente de permeado a la entrada de la corriente de permeado 92 del separador de baja presión, (ii) una salida de la fracción ligera 68 del separador de alta presión y (iii) una salida de la fracción pesada 52 del separador de alta presión, en donde la entrada de la primera parte de permeado 93 está colocada debajo de la salida de la fracción ligera 68 del separador de alta presión y por encima de la salida de la fracción pesada 52 del separador de alta presión.

El separador de baja presión 70 puede configurarse con un condensador 65 del separador de baja presión en comunicación fluida con la salida de vapor 67 del separador de baja presión y tanto (i) el conducto de reflujo de la fracción ligera 63 del separador de baja presión como (ii) el conducto de la fracción ligera 62 del separador de baja presión. El separador de baja presión también puede configurarse con un calderín de purga 45 del separador de baja presión en comunicación fluida con la salida de líquido de purga 71 del separador de baja presión y tanto (i) el conducto de reflujo de líquido de purga 69 del separador de baja presión como (ii) el conducto de la fracción pesada de purga 64 del separador de baja presión. El separador de baja presión 70 puede configurarse además con un calderín de permeado 55 del separador de baja presión en comunicación fluida con la salida de líquido de permeado 77 del separador de baja presión y tanto (i) el conducto de reflujo líquido del permeado 73 del separador de baja presión como el conducto de la fracción pesada del permeado 66 del separador de baja presión. En lugar de configurarse tanto con un calderín de purga del separador de baja presión como con un calderín de permeado del separador de baja presión, como se ilustra en la Figura 2, el separador de baja presión 70 puede configurarse alternativamente con un calderín de separador de baja presión en comunicación fluida con la salida de líquido de purga 71 del separador de baja presión y la salida de líquido de permeado 77 del separador de baja presión, además del conducto de reflujo líquido de purga 69 del separador de baja presión y el conducto de flujo de líquido de permeado 73 del separador de baja presión, así como el conducto de fracción pesada de purga 64 del separador de baja presión y el conducto de fracción pesada de permeado 66 del separador de baja presión.

El separador de alta presión 60 puede configurarse con un condensador 75 del separador de alta presión en comunicación fluida con la salida de vapor 81 del separador de alta presión y tanto con (i) el conducto de reflujo de fracción ligera 79 del separador de alta presión como con (ii) el conducto de fracción ligera 68 del separador de alta presión. El separador de alta presión 60 también puede configurarse con un calderín 85 de separador de alta presión en comunicación fluida con la salida de líquido 87 del separador de alta presión y tanto (i) el conducto de reflujo de líquido 83 del separador de alta presión como (ii) el conducto de fracción pesada 52 del separador de alta presión. Cualquiera de, o cualquier combinación de, condensador 65 del separador de baja presión, calderín de purga 45 del separador de baja presión, calderín de permeado 55 del separador de baja presión y calderín del separador de baja presión (que reemplaza a los calderines de baja presión 45, 55 separados), como se ha descrito anteriormente, se puede configurar para proporcionar integración de calor con el condensador 75 del separador de alta presión y/o el calderín 85 del separador de alta presión, como se ha descrito anteriormente. De acuerdo con realizaciones ilustrativas, el condensador 75 del separador de alta presión se puede configurar (p. ej., utilizando un medio de transferencia de calor tal como agua de refrigeración o vapor) para transferir el calor generado en este condensador, para consumo en el calderín de purga 45 del separador de baja presión y/o el calderín de permeado 55 del separador de baja presión, o el calderín del separador de baja presión (que reemplaza a los calderines de baja presión 45, 55 separados), como se ha descrito anteriormente.

El aparato puede comprender opcionalmente además una columna de deshidratación 95 que tenga (i) una entrada 72 de la columna de deshidratación en comunicación fluida tanto con la salida de la fracción ligera 62 del separador de baja presión como con la salida de la fracción ligera 68 del separador de alta presión, (ii) una salida de la fracción ligera 76 de la columna de deshidratación y (iii) una salida de la fracción pesada 74 de la columna de deshidratación, en donde la entrada 72 de la columna de deshidratación está colocada debajo de la salida de la fracción ligera 76 de la columna de deshidratación y por encima de la salida de la fracción pesada 74 de la columna de deshidratación.

El aparato puede comprender opcionalmente además un sistema de filtración de producto 90 en comunicación fluida con la salida de la fracción pesada de purga 64 del separador de baja presión para filtrar una corriente de fracción pesada de purga del separador de baja presión.

De forma general, los aspectos de la divulgación están asociados con procesos de conversión biológica que implican la recuperación aguas abajo de etanol a partir de corrientes de purga y de permeado, y se refieren, más particularmente, a realizar dicha recuperación con una eficacia mejorada que pueda reducir ventajosamente los costes de capital (p. ej., equipo) y/o de funcionamiento (p. ej., utilidad).

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un proceso de conversión biológica que comprende:

introducir un sustrato en un sistema de biorreactores (100) que comprende al menos un primer biorreactor (10) que incluye un medio de cultivo y una bacteria para metabolizar una fuente de carbono en el sustrato y producir al menos un producto de fermentación;

extraer del sistema de biorreactores (100) una corriente de purga (40) que comprende bacteria

extraer del sistema de biorreactores (100) una corriente de permeado (50) obtenida de la filtración de una corriente líquida del sistema de biorreactores (100);

introducir al menos una parte de la corriente de purga (40) y al menos una parte de la corriente de permeado (50) en un separador de baja presión (70) que comprende un divisor (80), estando el divisor (80) configurado para aislar, en una sección inferior, una fracción líquida (82) de la corriente de purga (40) de una fracción líquida (84) de la corriente de permeado (50), y configurado también para combinar, en una sección superior, una fracción gaseosa de la corriente de purga (40) con una fracción gaseosa de la corriente de permeado (50).

2. El proceso de la reivindicación 1, que comprende además

separar la corriente de permeado (50) en al menos una primera parte de permeado (50') y una segunda parte de permeado (50"); introducir la primera parte de permeado (50') en un separador de alta presión (60) e introducir la segunda parte de permeado (50") en el separador de baja presión (70);

extraer, del separador de alta presión (60), una fracción ligera (68) del separador de alta presión y una fracción pesada del separador de alta presión, en donde la fracción ligera (68) del separador de alta presión está enriquecida en el producto de fermentación deseado con respecto a la primera parte de permeado (50'); y

extraer una fracción ligera (62) del separador de baja presión, enriquecida en el producto de fermentación deseado, con respecto tanto a la segunda parte de permeado (50") como a la corriente de purga (40).

3. El proceso de la reivindicación 2, en donde el separador de alta presión (60) y el separador de baja presión (70) son una columna de destilación de alta presión y una columna de destilación de baja presión, respectivamente.

4. El proceso de la reivindicación 2, en donde el separador de alta presión (60) tiene una presión absoluta en el intervalo de aproximadamente 150 kPa a aproximadamente 650 kPa.

5. El proceso de la reivindicación 2, en donde el separador de baja presión (70) tiene una presión de vacío.

6. El proceso de la reivindicación 2, que comprende además extraer, del separador de baja presión (70), tanto una fracción pesada de purga (64) del separador de baja presión como una fracción pesada de permeado (66) del separador de baja presión.

7. El proceso de la reivindicación 6, en donde una o más de (i) la fracción ligera (62) del separador de baja presión, además de una parte de reflujo de fracción ligera (63) del separador de baja presión, se separan de una corriente de salida de vapor (67) del separador de baja presión extraída del separador de baja presión (70), (ii) la fracción pesada de purga (64) del separador de baja presión, además de una parte llevada a ebullición de purga (69) del separador de baja presión, se separan de una corriente de salida de líquido de purga (71) del separador de baja presión extraída del separador de baja presión (70), (iii) la fracción pesada de permeado (66) del separador de baja presión, además de una parte llevada a ebullición de permeado del separador de baja presión, se separan de una corriente de salida de líquido de permeado (77) del separador de baja presión extraída del separador de baja presión (70), (iv) la fracción ligera (68) del separador de alta presión, además de una parte de reflujo de la fracción ligera (79) del separador de alta presión, se separan de una corriente de salida de vapor (81) del separador de alta presión extraída del separador de alta presión (60) y (v) la fracción pesada (52) del separador de alta presión, además de una parte llevada a ebullición del separador de alta presión, se separan de una corriente de salida de líquido (87) del separador de alta presión extraída del separador de alta presión (60).

8. El proceso de la reivindicación 7, en donde una o más de (i) la corriente de salida de vapor (67) del separador de baja presión se introduce en un condensador (65) del separador de baja presión para condensar al menos una parte de la misma, devolver la parte de reflujo de la fracción ligera (63) del separador de baja presión al separador de baja presión (70) y recuperar el calor del condensador (89) del separador de baja presión, (ii) la corriente de salida de líquido de purga (71) del separador de baja presión se introduce en un calderín de purga (45) del separador de baja presión para vaporizar al menos una parte de la misma, devolver la parte llevada a ebullición de purga del separador de baja presión al separador de baja presión (70) y consumir el calor del calderín de purga (96) del separador de baja presión, (iii) la corriente de salida de líquido de permeado (77) del separador de baja presión se introduce en un calderín de permeado (55) del separador de baja presión para vaporizar al menos una parte de la misma, devolver la parte llevada a ebullición de permeado del separador de baja presión al separador de baja presión (70) y consumir el calor del calderín de permeado (97) del separador de baja presión, (iv) la corriente de salida de vapor (81) del separador de alta presión se introduce en un condensador (75) del separador de alta presión para condensar al menos una parte de la misma, devolver la parte de reflujo de la fracción ligera (79) del separador de alta presión al separador de alta presión (60) y recuperar el calor del condensador (98) del separador de alta presión y (v) la corriente de salida del líquido (87) del separador de alta presión se introduce en un calderín (85) del separador de alta presión para vaporizar al menos una parte de la misma, devolver la parte llevada a ebullición del separador de alta presión al separador de alta presión (60) y consumir el calor del calderín del separador de alta presión.

9. El proceso de la reivindicación 8, en donde al menos una parte del calor del condensador (98) del separador de alta presión se consume como calor del calderín de permeado (97) del separador de baja presión o como calor del calderín de purga (96) del separador de baja presión.

10. El proceso de la reivindicación 7, en donde la corriente de salida de líquido de purga (71) del separador de baja presión y la corriente de salida de líquido de permeado (77) del separador de baja presión se introducen en un calderín del separador de baja presión para vaporizar partes de las mismas, devolver una parte de reflujo de líquido de purga (69) del separador de baja presión y una parte de reflujo de líquido de permeado (73) del separador de baja presión al separador de baja presión (70) y consumir el calor del calderín del separador de baja presión.

11. El proceso de la reivindicación 10, en donde la corriente de salida de vapor (81) del separador de alta presión se introduce en un condensador (75) del separador de alta presión para condensar al menos una parte de la misma, devolver la parte de reflujo de la fracción ligera (79) del separador de alta presión al separador de alta presión (60) y recuperar el calor del condensador (98) del separador de alta presión, y en donde al menos una parte del calor del condensador (98) del separador de alta presión se consume como calor del calderín del separador de baja presión.

12. El proceso de la reivindicación 2, en donde el divisor (80) tiene la forma de una placa orientada verticalmente, que se extiende hasta una altura que es inferior a la altura axial del separador de baja presión (70).

13. El proceso de la reivindicación 6, en donde la fracción líquida (82) de la corriente de purga (40) proporciona un primer volumen de líquido en comunicación fluida con la fracción pesada de purga (64) del separador de baja presión, y la fracción líquida de la segunda parte de permeado (50") proporciona un segundo volumen de líquido en comunicación fluida con la fracción pesada de permeado (66) del separador de baja presión, y en donde el primer volumen es menor que el segundo volumen.

14. El proceso de la reivindicación 6, que comprende además reciclar al menos una parte de la fracción pesada (52) del separador de alta presión y al menos una parte de la fracción pesada de permeado (66) del separador de baja presión al sistema de biorreactores (100).

15. El proceso de la reivindicación 1, en donde el sustrato es un sustrato que contiene C1, la bacteria es una bacteria fijadora de C1, y el al menos un producto de fermentación se selecciona del grupo que consiste en etanol, isopropanol y mezclas de los mismos.