ES2914725T3

ES2914725T3 - Sistemas y métodos de fermentación aeróbica

Info

Publication number: ES2914725T3
Application number: ES18712402T
Authority: ES
Inventors: Kishore K Kar; Suraj S Deshpande; James J Pressler; Bianca Fernandes Martins; Iris Raquel Maia Tebeka; Devon C Rosenfeld; John Richard Biggs
Original assignee: Dow Global Technologies LLC
Current assignee: Dow Global Technologies LLC
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2022-06-15
Anticipated expiration: 2038-03-08
Also published as: EP3592835B1; CN110325630B; US11326139B2; EP3592835A1; CN110325630A; CA3056068A1; WO2018165411A1; BR112019017182A2; US20190367862A1

Abstract

Un sistema para la fermentación aeróbica que comprende: un recipiente; un sistema de aireación que comprende un rociador de gas en acoplamiento de fluidos con el recipiente y colocado para introducir un gas comprimido en un volumen interno del recipiente; y un circuito de recirculación en acoplamiento de fluidos con una salida del recipiente, el circuito de recirculación que comprende: al menos un eductor en acoplamiento de fluidos con una fuente de gas que contiene oxígeno; al menos un mezclador estático aguas abajo del al menos un eductor; al menos un intercambiador de calor aguas abajo del al menos un eductor; y al menos un distribuidor aguas abajo del al menos un mezclador estático y el al menos un intercambiador de calor, el al menos un distribuidor en acoplamiento de fluidos con el volumen interno del recipiente; en donde cuando se introduce una composición de fermentación en el recipiente, el rociador de gas y el circuito de recirculación proporcionan mezcla a la composición de fermentación, y una corriente de la composición de fermentación pasa desde el recipiente al circuito de recirculación, a través del al menos un eductor, el al menos un mezclador estático y al menos un intercambiador de calor del circuito de recirculación, y sale del al menos un distribuidor de regreso al volumen interno del recipiente.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistemas y métodos de fermentación aeróbica

Referencia cruzada a la solicitud relacionada

Campo técnico

Las realizaciones de la presente divulgación generalmente se refieren a sistemas y métodos de fermentación aeróbica, en particular, sistemas de fermentación aeróbica para realizar la fermentación aeróbica a mayores tasas de producción en recipientes de gran volumen.

Antecedentes

La fermentación se puede usar para convertir materiales orgánicos en uno o más compuestos a través del metabolismo microbiano por microorganismos. Estos compuestos se recuperan del caldo de fermentación como productos comerciales o materias primas o productos intermedios para su procesamiento posterior. La realización de procesos de fermentación en presencia de oxígeno para crear condiciones aeróbicas puede denominarse fermentación aeróbica. El éxito de los procesos de fermentación aeróbica depende de la capacidad de oxigenar el caldo de fermentación. En particular, debe mantenerse una tasa de transferencia de masa de oxígeno al caldo de fermentación al menos igual a la tasa mínima de absorción de oxígeno debido a un metabolismo microbiano dado. Esto asegura que el oxígeno consumido por el metabolismo microbiano se reponga lo suficiente en el caldo de fermentación y evita que el proceso de fermentación pase a la fermentación anaeróbica y/o falta de oxígeno, lo que puede conducir a cambios en la ruta metabólica de los microorganismos, la tasa de metabolismo, o muerte de los microorganismos. La fermentación aeróbica genera calor que debe eliminarse del caldo de fermentación.

Muchos procesos de fermentación aeróbica emplean recipientes agitados con rociado de aire para mantener la oxigenación del caldo de fermentación. Sin embargo, la agitación motorizada se vuelve inviable a capacidades de fermentación, típicamente mayores a 500 m3. A estos volúmenes, la agitación motorizada suficiente para mantener la oxigenación del caldo de fermentación puede resultar prohibitivamente costosa. Además, las tensiones mecánicas resultantes en los tanques de fermentación a los que se acoplan los motores pueden desafiar la integridad estructural del recipiente de fermentación. La capacidad de un sistema de fermentación aeróbica agitada está, por lo tanto, restringida por (i) el coste y la disponibilidad de la unidad, así como (ii) la resistencia mecánica del fermentador. El documento WO2016092073 divulga un dispositivo para mejorar la transferencia de oxígeno y calor adecuado para un biorreactor de un solo uso caracterizado por que comprende un sistema de aireación que incluye un rociador y un sistema de intercambio de calor en un circuito externo. El documento EP3031896 divulga un dispositivo de circuito de recirculación externo adecuado para un biorreactor de un solo uso caracterizado por que comprende un dispositivo de intercambio de calor externo de un solo uso. El dispositivo comprende además un sistema de generación de microburbujas.

Compendio

En consecuencia, existen necesidades continuas de sistemas y métodos mejorados para realizar fermentaciones aeróbicas con mayores capacidades de producción. Las realizaciones de la presente divulgación están dirigidas a sistemas y métodos de fermentación aeróbica para realizar la fermentación aeróbica a mayores capacidades de producción utilizando recipientes de gran volumen.

Según una realización, un sistema para la fermentación aeróbica incluye un recipiente, un sistema de aireación que comprende un rociador de gas en acoplamiento de fluidos con el recipiente y colocado para introducir un gas comprimido a un volumen interno del recipiente, y un circuito de recirculación en acoplamiento de fluidos con una salida del recipiente El circuito de recirculación comprende al menos un eductor en acoplamiento de fluidos con una fuente de gas que contiene oxígeno, al menos un mezclador estático aguas abajo del al menos un eductor, al menos un intercambiador de calor aguas abajo del al menos un eductor y al menos un distribuidor aguas abajo del al menos un mezclador estático y del al menos un intercambiador de calor. El al menos un distribuidor está en acoplamiento de fluidos con el volumen interno del recipiente. Cuando se introduce una composición de fermentación en el recipiente, el rociador de gas y el circuito de recirculación proporcionan mezcla a la composición de fermentación, y una corriente de la composición de fermentación pasa desde el recipiente al circuito de recirculación, a través del al menos un educador, el al menos un mezclador estático y el al menos un intercambiador de calor del circuito de recirculación, y sale del al menos un distribuidor de vuelta al volumen interno del recipiente.

En otra realización, un método para realizar una fermentación aeróbica incluye introducir una composición de fermentación en un recipiente, rociar una primera corriente de gas que contiene oxígeno en la composición de fermentación y hacer pasar una corriente de la composición de fermentación a un circuito de recirculación que comprende al menos un eductor, al menos un mezclador estático aguas abajo del al menos un eductor, y al menos un intercambiador de calor aguas abajo del al menos un eductor. El método incluye además educir una segunda corriente de gas que contiene oxígeno en la corriente de la composición de fermentación con al menos un eductor para producir una corriente combinada que comprende una fase líquida y una fase gaseosa. La fase líquida comprende la composición de fermentación y la fase gaseosa comprende el segundo gas que contiene oxígeno. El método incluye además transferir oxígeno de la fase gaseosa a la fase líquida usando al menos un mezclador estático para producir una composición de fermentación oxigenada en la fase líquida, eliminando el calor de la composición de fermentación oxigenada usando al menos un intercambiador de calor y haciendo pasar la composición de fermentación oxigenada desde el circuito de recirculación de vuelta al recipiente.

Las características y ventajas adicionales de las realizaciones descritas se expondrán en la descripción detallada que sigue, y en parte serán fácilmente evidentes para los expertos en la técnica a partir de esa descripción o se reconocerán mediante la práctica de las realizaciones descritas, incluida la descripción detallada que sigue, las reivindicaciones, así como los dibujos adjuntos.

Breve descripción de los dibujos

La siguiente descripción detallada de realizaciones específicas de la presente divulgación se puede entender mejor cuando se lee junto con los siguientes dibujos, donde la estructura similar se indica con números de referencia similares y en los cuales:

La FIG. 1 representa esquemáticamente un sistema para realizar la fermentación aeróbica, de acuerdo con una o más realizaciones de la presente divulgación;

La FIG. 2 representa esquemáticamente un mezclador estático del sistema para realizar la fermentación aeróbica de la FIG. 1, de acuerdo con una o más realizaciones de la presente divulgación;

La FIG. 3 representa esquemáticamente un distribuidor del sistema para realizar la fermentación aeróbica de la FIG. 1, de acuerdo con una o más realizaciones de la presente divulgación;

La FIG. 4 representa esquemáticamente otro sistema para realizar la fermentación aeróbica, de acuerdo con una o más realizaciones de la presente divulgación;

La FIG. 5 es un gráfico de la eficiencia de transferencia de oxígeno en función del caudal volumétrico de gas por minuto, por unidad de volumen de líquido (VVM) para un sistema de aireación del sistema para realizar la fermentación aeróbica de la FIG. 1 independiente del funcionamiento de un circuito de recirculación del sistema, de acuerdo con una o más realizaciones de la presente divulgación;

La FIG. 6 es un gráfico de la eficiencia media de transferencia de oxígeno en función de la altura del líquido para un sistema de aireación del sistema para realizar la fermentación aeróbica de la FIG. 1 independiente del funcionamiento de un circuito de recirculación del sistema, de acuerdo con una o más realizaciones de la presente divulgación;

La FIG. 7 representa esquemáticamente un aparato de laboratorio para evaluar la eficiencia de transferencia de oxígeno de un circuito de recirculación en el Ejemplo 2, de acuerdo con una o más realizaciones de la presente divulgación;

La FIG. 8A es una fotografía de un mezclador estático del aparato de laboratorio de la FIG. 7, de acuerdo con una o más realizaciones de la presente divulgación;

La FIG. 8B es una fotografía del flujo de fluido a través del mezclador estático de la FIG. 8A a un caudal de 2 galones por minuto, de acuerdo con una o más realizaciones de la presente divulgación;

La FIG. 8C es una fotografía del flujo de fluido a través del mezclador estático de la FIG. 8A a un caudal de 4 galones por minuto, de acuerdo con una o más realizaciones de la presente divulgación;

La FIG. 8D es una fotografía del flujo de fluido a través del mezclador estático de la FIG. 8A a un caudal de 6 galones por minuto, de acuerdo con una o más realizaciones de la presente divulgación;

La FIG. 8E es una fotografía del flujo de fluido a través del mezclador estático de la FIG. 8A a un caudal de 8 galones por minuto, de acuerdo con una o más realizaciones de la presente divulgación; y

La FIG. 9 es un gráfico del coeficiente de transferencia de masa volumétrica en función de la velocidad espacial a través de un mezclador estático en un circuito de recirculación del sistema para realizar la fermentación aeróbica de la FIG. 1, de acuerdo con una o más realizaciones de la presente divulgación.

Con el propósito de describir las ilustraciones y descripciones esquemáticas simplificadas de las FIGS. 1 y 4, no se incluyen las numerosas válvulas, sensores de temperatura, controladores electrónicos y similares que pueden emplearse y que son bien conocidos por los expertos en la técnica de ciertas operaciones de procesamiento químico. Cabe señalar además que las flechas en los dibujos se refieren a flujos de proceso. Sin embargo, las flechas pueden referirse de manera equivalente a líneas de transferencia que pueden servir para transferir flujos de proceso entre dos o más componentes del sistema. Además, las flechas que se conectan a los componentes del sistema definen entradas o salidas en cada componente del sistema dado. La dirección de la flecha se corresponde generalmente con la dirección principal de movimiento de los materiales de la corriente contenida dentro de la línea de transferencia física indicada por la flecha. Además, las flechas que no conectan dos o más componentes del sistema indican una corriente de producto que sale del sistema representado o una corriente de entrada del sistema que entra en el sistema representado.

Descripción detallada

Las realizaciones de la presente divulgación están dirigidas a sistemas y métodos para realizar fermentaciones aeróbicas. Específicamente, las presentes realizaciones se relacionan con un sistema de fermentación aeróbica que comprende un recipiente, un sistema de aireación y uno o múltiples circuitos de recirculación en acoplamiento de fluidos con la salida del recipiente. El sistema de aireación incluye un rociador de gas en acoplamiento de fluidos con el recipiente y colocado para introducir un gas comprimido en un volumen interno del recipiente. El circuito de recirculación comprende al menos un eductor en acoplamiento de fluidos con una fuente de gas que contiene oxígeno, al menos un mezclador estático aguas abajo del al menos un eductor, al menos un intercambiador de calor aguas abajo del al menos un eductor y al menos un distribuidor aguas abajo del mezclador estático y del intercambiador de calor. El distribuidor está en acoplamiento de fluidos con el volumen interno del recipiente. Cuando se introduce una composición de fermentación en el recipiente, el gas comprimido del rociador de gas se mezcla con la composición de fermentación, y una corriente de la composición de fermentación pasa desde el recipiente al circuito de recirculación, a través del al menos un educador, el al menos un mezclador estático y el al menos un intercambiador de calor del circuito de recirculación, y sale del al menos un distribuidor de vuelta al volumen interno del recipiente. El sistema de fermentación aeróbica, incluido el sistema de aireación y el circuito de recirculación, proporciona una tasa de transferencia de masa de oxígeno suficiente a la composición de fermentación para mantener las condiciones aeróbicas para la fermentación aeróbica realizada en recipientes de gran volumen y recipientes que tienen relaciones de aspecto menores en comparación con los fermentadores aeróbicos típicos. Por ejemplo, el sistema de fermentación aeróbica permite realizar la fermentación aeróbica en recipientes con un volumen de hasta 4000 metros cúbicos (m3) y una relación de aspecto de hasta 4.

Como se usa en esta divulgación, la "relación de aspecto" de un recipiente se refiere a la altura de la composición de fermentación en el recipiente dividida por el diámetro del recipiente. La "relación de aspecto máxima" de un recipiente se refiere a la altura máxima de la composición de fermentación en el recipiente dividida por el diámetro del recipiente.

Como se usa en esta divulgación, la "altura máxima de la composición de fermentación" en el recipiente se refiere a la altura de la composición de fermentación en el recipiente cuando la composición de fermentación está en su volumen seguro más grande posible en el recipiente.

Como se usa en esta divulgación, el término "fermentación aeróbica" se refiere a la conversión de materiales orgánicos en uno o una pluralidad de compuestos a través del metabolismo de los materiales orgánicos por microorganismos en condiciones aeróbicas.

Como se usa en esta divulgación, el término "condiciones aeróbicas" se refiere a las condiciones en la composición de fermentación en las que el oxígeno está presente y disponible para los microorganismos en cantidades suficientes para provocar que los microorganismos favorezcan el procesamiento de los nutrientes del medio nutritivo utilizando la fermentación aeróbica sobre el procesamiento de los materiales orgánicos y nutrientes a través de la fermentación anaeróbica.

Como se usa en esta divulgación, el término "composición de fermentación" se refiere a una composición que comprende al menos microorganismos, como bacterias, levaduras u otras especies microbianas, por ejemplo, y un medio nutritivo que incluye materiales orgánicos metabolizados por los microorganismos. La composición de fermentación también puede incluir solventes, como por ejemplo agua, y compuestos producidos durante el proceso de fermentación aeróbica, como gases, alcoholes orgánicos, ácidos orgánicos u otros compuestos. La composición de fermentación también puede incluir gases, tales como gases que contienen oxígeno, introducidos en la composición de fermentación durante el proceso de fermentación aeróbica. La composición de la composición de fermentación puede cambiar a lo largo del proceso de fermentación a medida que el medio nutritivo se consume y se repone, los compuestos se producen a través del metabolismo microbiano y la población de microorganismos cambia.

Como se usa en esta divulgación, la "tasa de transferencia de oxígeno" se refiere a la tasa a la que se transfiere y disuelve una determinada masa de oxígeno en la fase líquida, como la fase líquida de la composición de fermentación.

Los productos y productos químicos industriales, como los alcoholes y ácidos orgánicos, por ejemplo, pueden sintetizarse biológicamente a través de procesos de fermentación. En los procesos de fermentación, los materiales orgánicos se convierten en uno o más compuestos por microorganismos. Los microorganismos toman los materiales orgánicos, metabolizan al menos parcialmente los materiales orgánicos en compuestos y descargan y/o acumulan los compuestos, que pueden incluir alcoholes orgánicos, ácidos orgánicos u otros compuestos orgánicos, por ejemplo, que pueden recuperarse del caldo de la fermentación como productos comerciales o productos químicos industriales para su uso como materia prima y productos intermedios en operaciones de procesamiento posteriores. Las fermentaciones se pueden realizar en condiciones anaeróbicas en las que se reduce la concentración de oxígeno disuelto en la composición de fermentación (es decir, menos de una cantidad suficiente para realizar la fermentación aeróbica) de manera que los microorganismos procesan los materiales orgánicos a través de mecanismos anaeróbicos. Alternativamente, las fermentaciones se pueden realizar en condiciones aeróbicas en las que la concentración de oxígeno disuelto en la composición de fermentación se mantiene a un nivel suficiente para proporcionar oxígeno a los microorganismos para procesar el material orgánico a través del metabolismo aeróbico. La realización de fermentaciones en condiciones aeróbicas en lugar de condiciones anaeróbicas puede modificar la composición química de los compuestos producidos por los microorganismos.

La fermentación aeróbica es altamente exotérmica. El calor generado por la fermentación aeróbica se elimina de la composición de fermentación para evitar el sobrecalentamiento del sistema, lo que puede provocar la muerte de los microorganismos. Además, la fermentación aeróbica procede en condiciones en las que la tasa de transferencia de oxígeno a la composición de fermentación es al menos igual o mayor que la tasa de absorción de oxígeno en la composición de fermentación debido a un metabolismo microbiano dado.

La agitación motorizada y/o mecánica de la composición de fermentación a lo largo del proceso de fermentación aeróbica se usa en algunos fermentadores típicos para lograr un nivel de contacto gas-líquido suficiente para proporcionar suficiente transferencia de masa de oxígeno a la composición de fermentación. Sin embargo, a medida que aumenta el volumen de la composición de fermentación en el fermentador, también aumentan los requisitos de tamaño y potencia para que la agitación motorizada mantenga suficientes tasas de transferencia de masa de oxígeno. Por ejemplo, un fermentador que tenga un volumen de más de 1000 metros cúbicos (m3) puede requerir una capacidad de motor de agitación de más de 3000 hp. Los sistemas de agitación motorizados de esa capacidad requieren mucho capital y generan una fuerza sustancial dentro del recipiente que puede provocar que los recipientes existentes se inclinen o exploten bajo la gran carga de fuerza provocada por la agitación motorizada.

Además, las necesidades comerciales pueden requerir cambiar de una fermentación anaeróbica a un proceso de fermentación aeróbica. Sin embargo, los fermentadores anaeróbicos típicos pueden tener volúmenes sustancialmente mayores en comparación con los fermentadores aeróbicos y pueden no estar configurados para lograr las tasas de transferencia de masa de oxígeno a la composición de fermentación que son necesarias para mantener las condiciones aeróbicas en la composición de fermentación. Los sistemas para realizar la fermentación aeróbica divulgados en el presente documento pueden proporcionar una adaptación eficaz de los fermentadores anaeróbicos existentes para realizar fermentaciones aeróbicas.

Haciendo referencia a la FIG. 1, se ilustra un sistema para realizar una fermentación aeróbica, el sistema generalmente identificado por el número 100 de referencia. El sistema 100 incluye un recipiente 102 que tiene al menos una salida 104, un sistema 106 de aireación acoplado al recipiente 102 y al menos un circuito 108 de recirculación acoplado a la salida 104 del recipiente 102. La combinación del sistema 106 de aireación y el circuito 108 de recirculación puede proporcionar suficiente transferencia de masa de oxígeno a la composición de fermentación para mantener las condiciones aeróbicas durante todo el proceso de fermentación. El recipiente 102 puede tener un gran volumen en comparación con los fermentadores aeróbicos típicos y el sistema 100 puede proporcionar suficiente transferencia de masa de oxígeno para mantener las condiciones aeróbicas sin depender de la agitación motorizada.

El recipiente 102 generalmente incluye una parte superior 112, al menos una pared lateral 114 y un fondo 118. El recipiente 102 tiene al menos una salida 104 y al menos una entrada 110. Las entradas 110 pueden colocarse en la parte superior 112 del recipiente 102 o en una pared lateral 114 próxima a la parte superior 112 del recipiente 102. Las entradas 110 proporcionan una ruta para cargar materiales tales como la composición de fermentación (es decir, el cultivo de microorganismos, medios nutritivos y/o solvente) al recipiente 102 y cargar un medio nutritivo a la composición de fermentación durante todo el proceso de fermentación. El recipiente 102 puede incluir uno o más respiraderos 116 para ventilar los gases del recipiente 102, como el exceso de gases del sistema 106 de aireación y/o los gases generados por los microorganismos, por ejemplo. El recipiente 102 puede tener cualquier forma conveniente. En algunas realizaciones, el recipiente 102 puede ser un recipiente cilíndrico. En realizaciones, el fondo 118 del recipiente 102 puede ser cónico, cóncavo o inclinado de otro modo. La salida 104 puede estar acoplada al fondo 118 del recipiente 102, como por ejemplo en el punto más bajo de un fondo cónico o cóncavo del recipiente 102.

El sistema 100 puede permitir que el recipiente 102 tenga una relación de aspecto menor en comparación con los fermentadores aeróbicos típicos. En realizaciones, el recipiente 102 puede tener una relación de aspecto máxima de 0,5 a 4, de 0,5 a 3, de 0,5 a 2, de 0,5 a 1, de 1 a 4, de 1 a 3, de 1 a 2, de 2 a 4, de 2 a 3, de o de 3 a 4, donde la relación de aspecto máxima del recipiente 102 se define como la altura Hm máxima de la composición de fermentación en el recipiente 102 dividida por un diámetro D interior del recipiente 102. La altura Hm máxima de la composición de fermentación en el recipiente 102 puede ser igual o menor que la altura Hv de un lado recto del recipiente 102. El recipiente 102 puede tener un volumen interno desde 100 m3 a 4000m3, desde 100m3 a 3000m3, desde 100m3 a 2000 metros3, desde 100m3 a 1000m3, desde 300m3 a 4000m3, desde 300m3 a 3000m3, desde 300m3 a 2000 metros3, desde 300m3 a 1000m3, desde 500m3 a 4000m3, desde 500m3 a 3000m3, desde 500m3 a 2000 metros3, desde 500m3 a 1000m3, desde 1000m3 a 4000m3, desde 1000m3 a 3000m3, desde 1000m3 a 2000 metros3, o desde 2000 m3 a 4000m3. En algunas realizaciones, el recipiente 102 puede ser un fermentador anaeróbico reciclado o readaptado que tiene el sistema 106 de aireación y el circuito 108 de recirculación en acoplamiento de fluidos con el mismo. En otras realizaciones, el recipiente 102 puede ser un recipiente no presurizado, como un tanque de almacenamiento ambiental convertido u otro recipiente de baja presión, por ejemplo.

El sistema 106 de aireación comprende un rociador 120 y un compresor 122 para entregar un gas comprimido, tal como un gas que contiene oxígeno, al rociador 120. El rociador 120 está en acoplamiento de fluidos con el recipiente 102 y colocado para introducir un gas que contiene oxígeno al volumen interno del recipiente 102. En algunas realizaciones, el rociador 120 puede incluir un tubo 126 rociador que tiene una pluralidad de aberturas 128 a través de las cuales se introduce el gas que contiene oxígeno al volumen interno del recipiente 102. El rociador 120 es colocado en la parte inferior del recipiente 102 de modo que el gas que contiene oxígeno introducido por el rociador 120 fluya hacia arriba a través de la composición de fermentación contenida dentro del volumen interno del recipiente 102. El tubo 126 rociador puede tener forma para introducir el oxígeno que contiene gas a la composición de fermentación a través de al menos una parte de la sección transversal del recipiente 102. En algunas realizaciones, el tubo 126 rociador tiene forma para introducir el gas que contiene oxígeno a la composición de fermentación de manera uniforme en toda la sección transversal del recipiente 102. En algunas realizaciones, el tubo 126 rociador puede incluir un tubo principal con una pluralidad de tubos que se extienden horizontalmente hacia afuera desde el tubo principal para entregar el gas que contiene oxígeno de manera uniforme a lo largo de la sección transversal del recipiente 102. Alternativamente, el tubo 126 rociador puede incluir una pluralidad de tubos concéntricos circulares acopladas en acoplamiento de fluidos para entregar el gas que contiene oxígeno uniformemente a través de la sección transversal del recipiente 102. Otras formas del tubo 126 rociador se contemplan para entregar el aire que contiene oxígeno de manera uniforme a través de la sección transversal del recipiente 102. En algunas realizaciones, el tubo 126 rociador del rociador 120 se puede formar integralmente con el recipiente 102, por ejemplo, sinterizando o soldando el tubo 126 rociador a uno o una pluralidad de puertos en el fondo 118 o la pared lateral 114 del recipiente 102 o directamente al fondo 118 o la pared lateral 114 del recipiente 102. En algunas realizaciones, el tubo 126 rociador se puede insertar de forma extraíble en el recipiente 102 a través de uno o más puertos en el recipiente 102.

El compresor 122 puede estar en acoplamiento de fluidos con el rociador 120 para entregar el gas que contiene oxígeno al rociador 120. El compresor 122 también puede estar en acoplamiento de fluidos con una fuente 130 de gas que contiene oxígeno. El gas que contiene oxígeno puede ser un gas que contiene oxígeno (O2), como aire ambiente, oxígeno gaseoso, aire enriquecido con oxígeno u otro gas que contenga oxígeno. La fuente 130 de gas que contiene oxígeno puede ser un conducto abierto al aire ambiente, un volumen de oxígeno (O2) líquido o gaseoso como un tanque de oxígeno, una corriente de gas enriquecida con oxígeno producida usando un proceso de producción de oxígeno, una corriente de gas que contiene oxígeno de otras operaciones de procesos químicos, otras fuentes de gas que contienen oxígeno o combinaciones de estos. El sistema 106 de aireación también puede incluir opcionalmente un sistema 132 de esterilización de aire para eliminar los contaminantes del gas que contiene oxígeno antes de introducir el gas que contiene oxígeno en el recipiente 102. El sistema 132 de esterilización de aire puede colocarse aguas abajo del compresor 122 de manera que el gas que contiene oxígeno pasa desde el compresor 122, a través del sistema 132 de esterilización de aire y al rociador 120. Los contaminantes en el gas que contiene oxígeno pueden disminuir el rendimiento del proceso de fermentación al envenenar a los microorganismos en la composición de fermentación o al cambiar la ruta del metabolismo de los microorganismos. Alternativamente, si los contaminantes son otros microorganismos, estos pueden superar a los microorganismos originales en el consumo de materiales orgánicos y producir un conjunto diferente de compuestos y/o productos. El sistema de esterilización de aire puede incluir un filtro de aire, un sistema de esterilización por ozono, un sistema de esterilización ultravioleta (UV) o combinaciones de estos sistemas de esterilización. En algunas realizaciones, el sistema 132 de esterilización de aire puede ser un filtro, como un filtro de 1 micra, por ejemplo.

En funcionamiento del sistema 106 de aireación, el compresor 122 extrae el gas que contiene oxígeno de la fuente 130 de gas que contiene oxígeno y comprime el gas que contiene oxígeno. A continuación, el gas que contiene oxígeno pasa a través del sistema 132 de esterilización de aire opcional, donde uno o más contaminantes, como partículas o líquidos arrastrados, por ejemplo, se eliminan del gas que contiene oxígeno. A continuación, el gas que contiene oxígeno pasa al rociador 120. El gas que contiene oxígeno fluye a través del tubo 126 rociador y sale del tubo 126 rociador desde la pluralidad de aberturas 128 en el tubo 126 rociador hacia el volumen interno del recipiente 102. Las burbujas del gas que contiene oxígeno que salen de las aberturas 128 del tubo 126 rociador se mueven hacia arriba a través de la composición de fermentación en el recipiente 102. El rociador 120 puede generar un flujo turbulento agitado en todo el recipiente 102 y evitar que se desarrollen macro flujos dentro del recipiente 102. Generar un flujo turbulento agitado a través del recipiente 102 y evitar el desarrollo de macro flujos puede mejorar la tasa de transferencia de oxígeno a la composición de fermentación. El compresor 122 puede entregar el gas que contiene oxígeno al rociador 120 a una presión suficiente para provocar que el rociador 120 genere el flujo turbulento agitado por todo el recipiente 102. A medida que el gas que contiene oxígeno sale del rociador 120 y migra hacia arriba a través de la composición de fermentación en el recipiente 102, el oxígeno del gas que contiene oxígeno se transfiere desde la fase gaseosa de las burbujas a la fase líquida de la composición de fermentación, oxigenando así al menos parcialmente la composición de fermentación.

La tasa de transferencia de masa de oxígeno desde la fase gaseosa a la composición de fermentación líquida a través del rociador 120 puede estar influenciada por el tamaño de la burbuja del gas que contiene oxígeno introducido en el recipiente 102, el caudal del gas que contiene oxígeno en el recipiente 102, la altura H del líquido en el recipiente 102, la viscosidad de la composición de fermentación, la concentración de oxígeno en el gas que contiene oxígeno y la presión dentro del recipiente 102. Por ejemplo, la disminución del tamaño de la burbuja aumenta el área superficial para la transferencia de masa y, por lo tanto, aumenta la tasa de transferencia de masa de oxígeno a la composición de fermentación. El tamaño de la burbuja se puede modificar cambiando el tamaño de las aberturas 128 en el tubo 126 rociador. Alternativamente, se pueden instalar difusores de burbujas finas en una o más de las aberturas 128 en el tubo 126 rociador para difundir el gas que contiene oxígeno en una pluralidad de burbujas más pequeñas. Además, la tasa de transferencia de masa de oxígeno a la composición de fermentación se puede modificar cambiando el caudal del gas que contiene oxígeno entregado a la composición de fermentación. El aumento del caudal del gas que contiene oxígeno puede aumentar el número de burbujas introducidas en la composición de fermentación, lo que también aumenta el área superficial de transferencia de masa. El caudal del gas que contiene oxígeno puede controlarse controlando la presión del gas que contiene oxígeno generado por el compresor 122.

La tasa de transferencia de masa de oxígeno a la composición de fermentación se puede controlar adicionalmente controlando la concentración de oxígeno en el gas que contiene oxígeno. El aumento de la concentración de oxígeno en el gas que contiene oxígeno, como por ejemplo enriqueciendo el aire ambiente con oxígeno, crea un mayor gradiente de concentración entre el gas que contiene oxígeno y la composición de fermentación. El mayor gradiente de concentración entre el gas que contiene oxígeno y la composición de fermentación aumenta la tasa de transferencia de masa del oxígeno a la composición de fermentación.

La altura H de la composición de fermentación en el recipiente 102 y la viscosidad de la composición de fermentación en el recipiente 102 influyen en el tiempo de residencia del gas que contiene oxígeno en la composición de fermentación. Por ejemplo, a medida que la altura H de la composición de fermentación en el recipiente 102 aumenta, aumenta el tiempo de residencia entre las burbujas de gas que contiene oxígeno y la composición de fermentación y también aumenta la eficacia de la transferencia de masa de oxígeno desde la fase gaseosa a la composición de fermentación. El aumento de la viscosidad de la composición de fermentación también aumenta el tiempo de residencia de las burbujas de gas que contienen oxígeno con la composición de fermentación, lo que también aumenta la tasa de transferencia de masa de oxígeno a la composición de fermentación.

En un fermentador aeróbico típico, la presión en el fermentador aeróbico también puede influir en la tasa de transferencia de masa de oxígeno a la composición de fermentación. Los fermentadores aeróbicos típicos funcionan a presión positiva, y el aumento de la presión en el fermentador puede aumentar la tasa de transferencia de masa de oxígeno a la composición de fermentación. El sistema 100 divulgado en el presente documento que tiene el sistema 106 de aireación y el sistema 108 de recirculación proporciona una tasa de transferencia de masa de oxígeno suficiente a la composición de fermentación sin tener que realizar la fermentación aeróbica en condiciones de presión positiva. Por tanto, el proceso de fermentación aeróbica puede realizarse en el sistema 100 a presión ambiental. Al proporcionar suficientes tasas de transferencia de masa de oxígeno sin realizar la fermentación aeróbica a presión, el sistema 100 puede permitir el uso de tanques no presurizados como el recipiente 102. Los tanques no presurizados pueden tener paredes más delgadas y un coste sustancialmente menor que los recipientes a presión.

Haciendo referencia de nuevo a la FIG. 1, el circuito 108 de recirculación está en acoplamiento de fluidos con la salida 104 del recipiente 102. El circuito 108 de recirculación está colocado en el exterior del recipiente 102 e incluye un eductor 140, al menos un mezclador 142 estático aguas abajo del eductor 140, al menos un intercambiador 144 de calor aguas abajo del eductor 140, y un distribuidor 146. En realizaciones, el eductor 140 es un dispositivo Venturi que tiene una entrada 150 de líquido eductor, una salida 152 de eductor y una entrada 154 de gas eductor. La entrada 154 de gas del eductor está en acoplamiento de fluidos con una sección 156 estrechada del dispositivo Venturi. La entrada 154 de gas también está en acoplamiento de fluidos con una fuente 158 de gas que contiene oxígeno. El gas 159 que contiene oxígeno puede ser aire ambiente, gas oxígeno, aire enriquecido con oxígeno u otro gas que contiene oxígeno. La fuente 158 de gas que contiene oxígeno puede ser un puerto en acoplamiento de fluidos con el aire ambiente, un volumen contenido de oxígeno líquido o gaseoso como un tanque de oxígeno, una corriente de gas enriquecida con oxígeno producida usando un proceso de producción de oxígeno, una corriente de gas que contiene oxígeno de otras operaciones de procesos químicos, otras fuentes de gas que contienen oxígeno o combinaciones de estos. En algunas realizaciones, la fuente 158 de gas que contiene oxígeno puede ser la misma que la fuente 130 de gas que contiene oxígeno en acoplamiento de fluidos con el sistema 106 de aireación. Alternativamente, en otras realizaciones, la fuente 158 de gas que contiene oxígeno para el circuito 108 de recirculación puede estar separada de la fuente 130 de gas que contiene oxígeno en acoplamiento de fluidos con el sistema 106 de aireación.

Un compresor 136 puede estar en acoplamiento de fluidos con la fuente 158 de gas que contiene oxígeno y a la entrada 154 de gas del eductor. El compresor 136 puede entregar el gas que contiene oxígeno desde la fuente 158 de gas que contiene oxígeno a la entrada 154 de gas del eductor. La fuente 158 de gas que contiene oxigeno también puede incluir opcionalmente un sistema de esterilización de aire (no mostrado) para eliminar los contaminantes del gas 159 que contiene oxígeno antes de introducir el gas 159 que contiene oxígeno al eductor 140.

La corriente 148 de composición de fermentación es una corriente multifásica que tiene una fase líquida y una fase sólida o una fase líquida, una fase sólida y una fase gaseosa. La fase gaseosa de la corriente 148 de composición de fermentación puede incluir burbujas del gas que contiene oxígeno introducido por el sistema 106 de aireación, las burbujas de gas generadas a partir del metabolismo microbiano, o ambas, por ejemplo. La fase líquida puede incluir al menos uno de los medios nutrientes, solventes, compuestos líquidos producidos por los microorganismos durante la fermentación aeróbica, otros componentes líquidos o combinaciones de estos. La fase sólida puede incluir al menos los microorganismos y puede incluir compuestos sólidos producidos por los microorganismos, otros componentes sólidos de la composición de fermentación o combinaciones de estos.

La corriente 148 de composición de fermentación pasa desde la entrada 150 de líquido del eductor, a través de la sección 156 estrechada del eductor 140 y sale de la salida 152 del eductor. El gas que contiene oxígeno se introduce en la sección 156 estrechada del eductor 140 a través de la entrada 154 de gas del eductor. El gas que contiene oxígeno se mezcla al menos parcialmente con la composición de fermentación a medida que la composición de fermentación pasa a través de la sección 156 estrechada del eductor 140. La corriente que sale del eductor 140 desde la salida 152 del eductor es una corriente 160 combinada que incluye la corriente 148 de composición de fermentación y el gas 159 que contiene oxígeno. La corriente 160 combinada es una mezcla de múltiples fases que incluye una fase líquida, una fase sólida y una fase gaseosa. La fase gaseosa puede incluir el gas 159 que contiene oxígeno introducido por el eductor 140, así como los gases arrastrados en la corriente 148 de composición de fermentación que entra al eductor 140, tales como compuestos de gas del metabolismo microbiano, burbujas de gas arrastradas desde el sistema de aireación, o ambos, por ejemplo.

El tamaño del eductor 140 puede definirse por el diámetro nominal de los accesorios en la entrada 150 de líquido del eductor y la salida 152 del eductor. El eductor 140 puede tener un tamaño de 0,025 metros (m) a 1 m, de 0,025 m a 0,5 m, de 0,025 m a 0,1 m, de 0,025 m a 0,05 m, de 0,05 m a 1 m, de 0,05 m a 0,5 m, de 0,05 m a 0,1 m, de 0,1 m a 1 m, de 0,1 m a 0,5 m, o de 0,5 m a 1 m. Una forma del eductor 140, como la forma de la sección 156 estrechada y el tamaño de la sección transversal de la entrada 154 de gas del eductor, por ejemplo, puede influir en la cantidad de gas 159 que contiene oxígeno introducido en la corriente 148 de composición de fermentación que pasa a través del eductor 140. En las realizaciones, el eductor 140 puede tener una forma que proporcione una relación de flujo de volumen del gas 159 que contiene oxígeno a la corriente 148 de composición de fermentación suficiente para oxigenar la composición de fermentación (es decir, aquí se hace referencia en general a la composición de fermentación a través del proceso de fermentación, como la composición de fermentación en el recipiente 102 así como la composición de fermentación recirculada a través del circuito 108 de recirculación). En algunas realizaciones, el eductor 140 puede proporcionar una relación de volumen de flujo del gas 159 que contiene oxígeno a la corriente 148 de composición de fermentación (es decir, la relación del caudal volumétrico del gas al caudal volumétrico del líquido) de 0,05 a 1, de 0,05 a 0,8, de 0,05 a 0,6, de 0,05 a 0,4, de 0,05 a 0,2, de 0,05 a 0,1, de 0,05 a 07, de 0,07 a 1, de 0,07 a 0,8, de 0,07 a 0,6, de 0,07 a 0,4, de 0,07 a 0,2, de 0,07 a 0,1, de 0,1 a 1, de 0,1 a 0,8, de 0,1 a 0,6, de 0,1 a 0,4, de 0,2 a 1, de 0,2 a 0,8, de 0,2 a 0,6, de 0,2 a 0,4, de 0,4 a 1, de 0,4 a 0,8, de 0,4 a 0,6, de 0,6 a 1, de 0,6 a 0,8 o de 0,8 a 1.

En algunas realizaciones, el circuito 108 de recirculación puede incluir un generador de burbujas finas (no mostrado) además del eductor 140 para introducir el gas 159 que contiene oxígeno a la corriente 148 de composición de fermentación. Se contemplan otros sistemas para introducir el gas que contiene oxígeno a la composición de fermentación en el circuito 108 de recirculación del sistema 100.

La reducción de la longitud del circuito 108 de recirculación puede reducir las incrustaciones biológicas de las áreas superficiales de los componentes del circuito 108 de recirculación. Sin embargo, la reducción de la longitud del circuito 108 de recirculación da como resultado una disminución del tiempo de residencia de la composición de fermentación en el circuito 108 de recirculación. Las altas tasas de transferencia de oxígeno en el circuito 108 de recirculación pueden proporcionar la saturación de oxígeno de la composición de fermentación en estos tiempos de residencia reducidos. El circuito 108 de recirculación puede proporcionar altas tasas de transferencia de oxígeno al introducir la corriente 160 combinada que comprende la composición de fermentación y el gas que contiene oxígeno en uno o una pluralidad de mezcladores 142 estáticos para reducir el tamaño de las burbujas de gas que contiene oxígeno en la corriente 160 combinada.

Los mezcladores 142 estáticos están colocados en el circuito 108 de recirculación aguas abajo del eductor 140. La salida 152 del eductor está en acoplamiento de fluidos con el mezclador 142 estático. Con referencia a la FIG. 2, el mezclador 142 estático está dispuesto dentro de un conducto 162, como un conducto de intercambiador 144 de calor, por ejemplo. En realizaciones, el mezclador 142 estático puede incluir una pluralidad de deflectores 164 conformados y colocados para intensificar la turbulencia del flujo hacia la corriente 160 combinada que fluye a través del mezclador 142 estático. En algunas realizaciones, los deflectores 164 pueden incluir una pluralidad de deflectores entrecruzados. Alternativamente, en otras realizaciones, los deflectores 164 pueden ser deflectores helicoidales. Se contemplan otras formas y orientaciones para los deflectores 164 del mezclador 142 estático. El mezclador 142 estático rompe la fase gaseosa de la corriente 160 combinada en burbujas de menor tamaño al introducir turbulencia de flujo en la corriente 160 combinada. Reduciendo el tamaño de burbuja de la fase gaseosa en la corriente 160 combinada aumenta el área superficial total de la interfaz entre la fase líquida y la fase gaseosa. La tasa de transferencia de masa de oxígeno de la fase gaseosa a la fase líquida es proporcional al área superficial de la interfaz entre la fase líquida y la fase gaseosa. Por lo tanto, aumentar el área superficial al disminuir el tamaño de la burbuja de la fase gaseosa aumenta la tasa de transferencia de masa de oxígeno desde el gas que contiene oxígeno a la fase líquida de la composición de fermentación.

En realizaciones, el mezclador 142 estático puede producir condiciones de flujo de fluido turbulento que, cuando se combinan con el sistema 106 de aireación, son capaces de mantener una tasa de transferencia de masa de oxígeno igual o mayor que la tasa de absorción de oxígeno debido al metabolismo microbiano durante las etapas iniciales del proceso de fermentación aeróbica, cuando el volumen de la composición de fermentación en el recipiente 102 es bajo. En algunas realizaciones, el mezclador 142 estático puede producir condiciones de flujo de fluido suficientes para reducir el tamaño de la burbuja de la fase gaseosa que contiene oxígeno para aumentar la transferencia de masa de oxígeno a la composición de fermentación. En algunas realizaciones, el mezclador 142 estático puede producir un flujo de fluido que tiene un número de Reynolds de 2000 a 10.000, de 2000 a 8000, de 2000 a 6000, de 2000 a 4000, de 4000 a 10000, de 4000 a 8000, de 4000 a 6000, de 6000 a 10.000, de 6000 a 8000, o de 8000 a 10.000. El número de Reynolds para el flujo a través del circuito de recirculación se define como

„ Pl^l& tubería

Re = ---------, Ecuación 1

Ri

donde pi y pi son la densidad del líquido y la viscosidad dinámica, respectivamente, Dtubería es el diámetro de la tubería que está equipada con mezcladores estáticos, y Ui es la velocidad de la composición de fermentación a través de la tubería.

En realizaciones, una velocidad líquida promedio de la corriente 160 combinada en el mezclador 142 estático puede ser suficiente para generar las condiciones de flujo de fluido en el mezclador 142 estático que, cuando se combinan con el sistema 106 de aireación, son suficientes para mantener una tasa de transferencia de masa de oxígeno igual o mayor que la tasa de absorción de oxígeno debido al metabolismo microbiano durante las etapas iniciales del proceso de fermentación aeróbica, cuando el volumen de la composición de fermentación en el recipiente 102 es bajo. Las etapas iniciales del proceso de fermentación aeróbica pueden incluir el primer tercio del proceso de fermentación aeróbica, tiempo durante el cual el volumen de la composición de fermentación en el recipiente 102 es bajo. En realizaciones, la velocidad promedio del líquido de la corriente 160 combinada en el mezclador 142 estático puede ser de 0,2 metros por segundo (m/s) a 2 m/s, de 0,2 m/s a 1,6 m/s, de 0,2 m/s a 1,2 m/s, de 0,2 m/s a 0,8 m/s, de 0,2 m/s a 0,4 m/s, de 0,4 m/s a 2 m/s, de 0,4 m/s a 1,6 m/s , de 0,4 m/s a 1,2 m/s, de 0,4 m/s a 0,8 m/s, de 0,8 m/s a 2 m/s, de 0,8 m/s a 1,6 m/s, de 0,8 m/s a 1,2 m/s, de 1,2 m/s a 2 m/s, de 1,2 m/s a 1,6 m/s, o de 1,6 m/s a 2 m/s.

Haciendo referencia de nuevo a FIG. 1, en algunas realizaciones, el circuito 108 de recirculación puede incluir una pluralidad de mezcladores 142 estáticos colocadas aguas abajo del eductor 140. Una parte de los mezcladores 142 estáticos puede estar dispuesta en paralelo entre sí. Los mezcladores 142 estáticos, así como otros equipos en el circuito 108 de recirculación, pueden ser susceptibles a incrustaciones biológicas durante el funcionamiento continuo del sistema 100. Las incrustaciones biológicas se refieren a la acumulación de células y otros materiales en las superficies internas de los mezcladores 142 estáticos, intercambiadores 144 de calor, eductor 140, bomba 170 y demás equipos. La disposición de los mezcladores 142 estáticos en paralelo permite desconectar uno o más de los mezcladores 142 estáticos para su limpieza y esterilización sin apagar el sistema 100. Alternativamente, uno o más mezcladores 142 estáticos pueden colocarse en serie para aumentar la mezcla de la corriente 160 combinada.

Como se muestra en la FIG. 1, los intercambiadores 144 de calor están colocadas aguas abajo del eductor 140. Los intercambiadores 144 de calor pueden incluir un intercambiador de calor de carcasa y tubos, un intercambiador de calor de placas y marcos, o ambos. Otros tipos de intercambiadores de calor pueden ser adecuados para el circuito 108 de recirculación. Como se describió anteriormente, el metabolismo microbiano genera calor durante la fermentación y se retiene en la corriente 148 de composición de fermentación que se introduce en el circuito 108 de recirculación y la corriente 160 combinada que sale del eductor 140 Los intercambiadores 144 de calor transfieren al menos una parte de este calor de la corriente 160 combinada a un disipador de calor, como por ejemplo un fluido de transferencia de calor. La eliminación de calor de la corriente 160 combinada mediante los intercambiadores 144 de calor reduce la temperatura de la corriente 160 combinada. La eliminación de calor mediante los intercambiadores 144 de calor mantiene la temperatura de la composición de fermentación en el recipiente 102 y puede evitar el sobrecalentamiento, lo que puede conducir a muerte de los microorganismos.

En algunas realizaciones, los intercambiadores 144 de calor pueden tener una capacidad de transferencia de calor suficiente para eliminar suficiente calor de la corriente 160 combinada para mantener una temperatura constante de la composición de fermentación en el recipiente 102 a un volumen máximo de composición de fermentación en el recipiente 102. En realizaciones, cada uno de los intercambiadores 144 de calor puede tener una capacidad de transferencia de calor de 50 kilovatios (kW) a 1000 kW, de 50 kW a 800 kW, de 50 kW a 600 kW, de 50 kW a 400 kW, de 50 kW a 200 kW, de 50 kW a 100 kW, de 100 kW a 1.000 kW, de 100 kW a 800 kW, de 100 kW a 600 kW, de 100 kW a 400 kW, de 100 kW a 200 kW, de 200 kW a 1.000 kW , de 200 kW a 800 kW, de 200 kW a 600 kW, de 200 kW a 400 kW, de 400 kW a 1.000 kW, de 400 kW a 800 kW, de 400 kW a 600 kW, de 600 kW a 1.000 kW, de 600 kW a 800 kW, o de 800 kW a 1.000 kW.

En algunas realizaciones, el circuito 108 de recirculación puede incluir una pluralidad de intercambiadores 144 de calor colocados aguas abajo del eductor 140. Al menos algunos de los intercambiadores 144 de calor pueden estar dispuestos en paralelo entre sí. Al igual que los mezcladores 142 estáticos, los intercambiadores 144 de calor pueden ser susceptibles a las incrustaciones biológicas durante el funcionamiento continuo del sistema 100. La disposición de los intercambiadores 144 de calor en paralelo permite que uno o más de los intercambiadores 144 de calor se aíslen del circuito 108 de recirculación y se desconectenpara su limpieza y esterilización sin apagar el sistema 100 e interrumpir el proceso de fermentación. Alternativamente, uno o más intercambiadores 144 de calor pueden colocarse en serie para aumentar la transferencia de calor fuera de la corriente 160 combinada. En las realizaciones, el circuito 108 de recirculación puede tener una cantidad de intercambiadores 144 de calor que sea suficiente para eliminar el calor generado por metabolismo microbiano durante el proceso de fermentación y mantener una temperatura constante de la composición de fermentación en el sistema 100. En algunas realizaciones, el circuito 108 de recirculación puede tener 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 o 12 intercambiadores 144 de calor.

Como se muestra en la FIG. 1, en algunas realizaciones, los mezcladores 142 estáticos pueden combinarse con los intercambiadores 144 de calor. En realizaciones, cada uno de los intercambiadores 144 de calor puede incluir una pluralidad de conductos 166 de flujo que se extienden a través del intercambiador 144 de calor. Los mezcladores 142 estáticos pueden disponerse dentro de cada uno de los conductos 166 de flujo de los intercambiadores 144 de calor. Los intercambiadores 144 de calor que tienen los mezcladores 142 estáticos incorporados pueden estar en acoplamiento de fluidos con la salida 152 del eductor. En funcionamiento, la corriente 160 combinada que comprende el fluido de fermentación y el oxígeno que contiene el gas pasa desde la salida 152 del eductor a los intercambiadores 144 de calor. En los intercambiadores 144 de calor, la corriente 160 combinada pasa a través de los mezcladores 142 estáticos. La corriente 160 combinada se mezcla mediante los mezcladores 142 estáticos y la mezcla mejora la transferencia de masa de oxígeno desde la fase gaseosa a la fase líquida de la corriente 160 combinada. El intercambiador 144 de calor elimina simultáneamente calor de la corriente 160 combinada. Proporcionar una mezcla estática de la corriente 160 combinada en el intercambiador 144 de calor también puede mejorar la tasa de transferencia de calor de la corriente 160 combinada. Además, la incorporación de mezcladores 142 estáticos en los intercambiadores 144 de calor también puede reducir la longitud del circuito 108 de recirculación. Reducir la longitud del circuito 108 de recirculación puede reducir la tasa de incrustaciones biológicas de las superficies internas del eductor 140, mezcladores 142 estáticos, intercambiadores 144 de calor, bomba 170, tuberías y otros equipos del circuito 108 de recirculación.

Como se discutió anteriormente, con una pluralidad de intercambiadores 144 de calor operados en paralelo en el circuito 108 de recirculación, cada intercambiador 144 de calor puede aislarse fácilmente del circuito 108 de recirculación y esterilizarse independientemente de otros equipos del sistema 100 durante el funcionamiento del sistema 100 y el proceso de fermentación. Como resultado, la incorporación de los mezcladores 142 estáticos en los intercambiadores 144 de calor puede proporcionar una capacidad mejorada para esterilizar los mezcladores 142 estáticos durante el funcionamiento del proceso de fermentación, mitigando así las incrustaciones en los mezcladores 142 estáticos. Además, la incorporación de los mezcladores 142 estáticos en los intercambiadores 144 de calor pueden reducir la huella de espacio del sistema 100, reducir el número de componentes para esterilizar de forma individual e independiente durante el funcionamiento del sistema 100 y proporcionar una transferencia de calor mejorada desde la corriente 160 combinada en comparación con un circuito 108 de recirculación en el que los mezcladores 142 estáticos no están integrados con los intercambiadores 144 de calor sino que están colocados aguas arriba o aguas abajo de los intercambiadores 144 de calor.

La mezcla estática y la eliminación de calor de la corriente 160 combinada produce una composición 168 de fermentación oxigenada a la salida del intercambiador 144 de calor. La composición 168 de fermentación oxigenada incluye una mayor cantidad de oxígeno disuelto en la fase líquida en comparación con la corriente 148 de composición de fermentación introducida al circuito 108 de recirculación en la salida 104 del recipiente 102. La composición 168 de fermentación oxigenada también puede incluir una fase gaseosa empobrecida en oxígeno que tiene una cantidad de oxígeno menor que el gas que contiene oxígeno introducido en el eductor 140.

Haciendo referencia a la FIG. 1, la composición 168 de fermentación oxigenada sale de los intercambiadores 144 de calor y pasa a través del distribuidor 146 de regreso al recipiente 102. El distribuidor 146 puede tener forma para reintroducir la composición 168 de fermentación oxigenada al recipiente 102 sobre al menos una parte de la sección transversal del recipiente 102. En algunas realizaciones, el distribuidor 146 tiene forma para distribuir la composición 168 de fermentación oxigenada al recipiente 102 de manera uniforme en toda la sección transversal del recipiente 102. En algunas realizaciones, el distribuidor 146 puede incluir un tubo principal con una pluralidad de tubos que se extienden horizontalmente hacia afuera desde el tubo principal para entregar la composición 168 de fermentación oxigenada uniformemente sobre la sección transversal del recipiente 102. Alternativamente, el distribuidor 146 puede incluir una pluralidad de tubos circulares concéntricos en acoplamiento de fluidos para entregar la composición 168 de fermentación oxigenada uniformemente en toda la sección transversal del recipiente 102. Otras formas del distribuidor 146 se contemplan para entregar la composición 168 de fermentación oxigenada uniformemente sobre la sección transversal del recipiente 102.

Haciendo referencia a la FIG. 3, se ilustra una realización no limitativa del distribuidor 146 que incluye al menos un tubo 174 que tiene una pluralidad de orificios 176 acoplados en acoplamiento de fluidos con el volumen interno del recipiente 102. El tubo 174 del distribuidor 146 puede incluir un tubo 177 central y una pluralidad de ramificaciones 178 que se extienden hacia afuera desde el tubo 177 central. El tubo 177 central y cada una de las ramificaciones 178 incluyen la pluralidad de orificios 176 para distribuir la composición 168 de fermentación oxigenada de regreso al recipiente 102. Las ramificaciones 178 pueden extenderse hacia afuera desde el tubo 177 central para que la composición 168 de fermentación oxigenada se distribuya uniformemente en toda la sección transversal del recipiente 102.

Volviendo a la FIG. 1, el distribuidor 146 puede entrar al volumen interno del recipiente 102 a través de un puerto dispuesto en la pared lateral 114 del recipiente 102 como se muestra en la FIG. 1. Alternativamente, el distribuidor 146 puede pasar a través de la parte superior 112 del recipiente 102 y extenderse hacia el volumen interno del recipiente 102. En algunas realizaciones, el distribuidor 146 puede colocarse de modo que los tubos 174 del distribuidor 146 estén sumergidos en la composición de fermentación dispuesta en el recipiente 102 durante todo el proceso de fermentación.

En funcionamiento del distribuidor 146, la composición 168 de fermentación oxigenada pasa desde el circuito 108 de recirculación al tubo 174 del distribuidor 146. La composición 168 de fermentación oxigenada pasa a través del tubo 174, incluido el tubo 177 central y las ramificaciones, y sale del distribuidor. 146 a través de los orificios 176 en el tubo 174 y dentro del recipiente 102, donde la composición 168 de fermentación oxigenada se mezcla con la composición de fermentación en el recipiente 102.

Haciendo referencia a la FIG. 1, el circuito 108 de recirculación incluye una bomba 170 para mover la corriente 148 de composición de fermentación a través del circuito 108 de recirculación. La bomba 170 puede ser una bomba multifase capaz de bombear la corriente 148 de composición de fermentación. Como se discutió anteriormente, la corriente 148 de composición de fermentación puede ser una corriente multifásica que tiene una fase líquida y una fase sólida, una fase líquida y una fase gaseosa, o una fase líquida, una fase sólida y una fase gaseosa. En realizaciones, la bomba 170 puede colocarse aguas arriba del eductor 140. La bomba 170 puede proporcionar un caudal de líquido a través del circuito 108 de recirculación de 0,04 metros cúbicos por minuto (m3/min) a 20 m3/min, desde 0,04 m3/min a 15 m3/min, desde 0,04 m3/min a 10 m3/min, desde 0,04 m3/min a 5 m3/min, desde 0,1 m3/min a 20 m3/min, desde 0,1 m3/min a 15 m3/min, desde 0,1 m3/min a 10 m3/min, desde 0,1 m3/min a 5 m3/min, desde 1 m3/min a 20 m3/min, desde 1 m3/min a 15 m3/min, desde 1 m3/min a 10 m3/min, desde 5 m3/min a 20 m3/min, desde 5 m3/min a 15 m3/min, desde 5 m3/min a 10 m3/min, o desde 10 m3/min a 20 m3/min.

El circuito 108 de recirculación puede incluir opcionalmente un eductor 180 secundario (FIG. 4) colocado aguas abajo de los intercambiadores 144 de calor y mezcladores 142 estáticos del circuito 108 de recirculación. El eductor 180 secundario puede ubicarse aguas arriba del distribuidor 146. El eductor 180 secundario puede estar en acoplamiento de fluidos con la fuente 158 de gas que contiene oxígeno que suministra al eductor 140 u otra fuente de gas que contiene oxígeno. El eductor 180 secundario puede introducir gas que contiene oxígeno adicional a la composición 168 de fermentación oxigenada a medida que la composición 168 de fermentación oxigenada pasa a través del eductor 180 secundario. La composición 168 de fermentación oxigenada que tiene el gas que contiene oxígeno adicional arrastrado pasa al distribuidor 146 y de regreso al recipiente 102.

El circuito 108 de recirculación también puede incluir opcionalmente al menos un intercambiador 182 de calor secundario (FIG. 4). En las realizaciones, el intercambiador 182 de calor secundario puede colocarse aguas arriba del eductor 140. El intercambiador 182 de calor secundario puede incluir un intercambiador de calor de carcasa y tubos, un intercambiador de calor de placa y marco, o ambos. Otros tipos de intercambiadores de calor pueden ser adecuados para el intercambiador 182 de calor secundario. El intercambiador 182 de calor secundario puede proporcionar una eliminación de calor adicional de la corriente 148 de composición de fermentación.

Haciendo referencia a la FIG. 4, otro sistema 200 para realizar fermentaciones aeróbicas puede incluir el recipiente 102, el sistema 106 de aireación, el circuito 108 de recirculación y uno o una pluralidad de circuitos 208 de recirculación suplementarios. Cada circuito 208 de recirculación suplementario puede incluir un eductor 240 suplementario, mezcladores 242 estáticos suplementarios, intercambiadores 244 de calor suplementarios y un distribuidor 246 suplementario. El circuito 208 de recirculación suplementario también puede incluir una bomba 270 suplementaria. El circuito 208 de recirculación suplementario, eductor 240 suplementario, mezcladores 242 estáticos suplementarios, intercambiadores 244 de calor suplementarios, distribuidor 246 suplementario, y la bomba 270 suplementaria puede tener cualquiera de las propiedades y características descritas anteriormente en relación con el circuito 108 de recirculación, eductor 140, mezcladores 142 estáticos, intercambiadores 144 de calor, distribuidor 146 y bomba 170, respectivamente.

Mientras realiza una fermentación aeróbica en el sistema 200, el sistema 200 puede hacer circular la composición de fermentación a través del circuito 108 de recirculación, el circuito 208 de recirculación suplementario, o tanto el circuito 108 de recirculación como el circuito 208 de recirculación suplementario. En algunas realizaciones, uno del circuito 108 de recirculación o el circuito 208 de recirculación suplementario pueden desconectarse periódicamente para esterilizar componentes, como los intercambiadores 144 de calor, los intercambiadores 244 de calor suplementarios, los mezcladores 142 estáticos o los mezcladores 242 estáticos suplementarios, por ejemplo, durante el funcionamiento del sistema 200 En algunas realizaciones, el sistema 200 puede configurarse para alternar entre hacer circular la composición de fermentación a través del circuito 108 de recirculación y hacer circular la composición de fermentación a través del circuito 208 de recirculación suplementario. En realizaciones que tienen múltiples circuitos 208 de recirculación suplementarios, el sistema 200 puede hacer circular la composición de fermentación a través de todo o menos que un todo de los circuitos 208 de recirculación suplementarios y el circuito 108 de recirculación.

Volviendo a la FIG. 1, en funcionamiento del sistema 100 para realizar la fermentación aeróbica, la composición de fermentación que comprende al menos los microorganismos para realizar la fermentación y una cantidad de medio nutritivo se introduce en el recipiente 102 hasta un nivel 190 inicial. El sistema 106 de aireación hace pasar oxígeno que contiene gas en la composición de fermentación en el recipiente 102. En particular, el gas que contiene oxígeno de la fuente 130 de gas que contiene oxígeno es comprimido por el compresor 122 y pasa a través del rociador 120 a la composición de fermentación en el recipiente 102. A medida que las burbujas del gas que contiene oxígeno del sistema 106 de aireación viajan hacia arriba a través de la composición de fermentación, el oxígeno del gas que contiene oxígeno se transfiere a través del límite de fase a la composición de fermentación para oxigenar la composición de fermentación. Al menos una parte del calor generado por el metabolismo microbiano puede eliminarse mediante el sistema 106 de aireación.

Simultáneamente, la composición de fermentación se extrae de la salida 104 del recipiente 102 y pasa al circuito 108 de recirculación como corriente 148 de composición de fermentación. La corriente 148 de composición de fermentación pasa a través del eductor 140 donde el gas que contiene oxígeno de la fuente 158 de gas que contiene oxígeno se introduce en la corriente 148 de composición de fermentación mediante el efecto Venturi para producir una corriente 160 combinada. La corriente 160 combinada es una corriente multifásica que incluye la composición de fermentación en una fase líquida o una combinación de fases sólida y líquida y el gas que contiene oxígeno en la fase gaseosa. La corriente 160 combinada pasa a los mezcladores 142 estáticos. Los mezcladores 142 estáticos introducen turbulencia de flujo en la corriente 160 combinada para aumentar la tasa de transferencia de masa de oxígeno de la fase gaseosa a la fase líquida para producir una composición 168 de fermentación oxigenada. La composición 168 de fermentación oxigenada puede pasar a través de los intercambiadores 144 de calor para eliminar el calor de la composición 168 de fermentación oxigenada. En algunas realizaciones, los mezcladores 142 estáticos pueden estar integrados con los intercambiadores 144 de calor, y la corriente 160 combinada puede pasar simultáneamente a través de los mezcladores 142 estáticos y calentar intercambiadores 144 para introducir turbulencia de flujo para facilitar la transferencia de masa de oxígeno y eliminar calor al mismo tiempo. Al salir de los intercambiadores 144 de calor, la composición 168 de fermentación oxigenada pasa a través del distribuidor 146 y regresa al recipiente 102. El circuito 108 de recirculación proporciona una mezcla adicional de la composición de fermentación en el recipiente 102. El funcionamiento del circuito 108 de recirculación puede eliminar zonas muertas en el recipiente 102. Las zonas muertas se refieren a volúmenes de la composición de fermentación en el recipiente 102 que son impactados por el rociador 120 y permanecen estacionarios sin mezclarse con el resto de la composición de fermentación. La falta de mezcla en las zonas muertas da como resultado el empobrecimiento del oxígeno disuelto en la zona muerta, lo que puede provocar cambios en el metabolismo microbiano, la tasa de metabolismo y/o la muerte microbiana. El circuito 108 de recirculación puede eliminar estas zonas muertas extrayendo la composición de fermentación del fondo 118 del recipiente 102 y devolviendo la composición de fermentación al recipiente 102.

A medida que avanza el proceso de fermentación, se pueden agregar medios nutritivos adicionales al recipiente 102 a través de al menos una de las entradas 110 del recipiente 102. Los medios nutritivos se pueden añadir continuamente al recipiente 102 o se pueden añadir periódicamente al recipiente 102. Al comienzo de un proceso de fermentación aeróbica, el volumen de la composición de fermentación en el recipiente 102 puede ser bajo, y la altura H de la composición de fermentación puede ser pequeña, de modo que solo una parte del recipiente 102 contiene la composición de fermentación. En este momento, las burbujas de gas que contiene oxígeno rociadas en el recipiente 102 por el sistema 106 de aireación pueden no tener suficiente tiempo de contacto con la composición de fermentación para lograr una transferencia masiva de oxígeno a la composición de fermentación para mantener las condiciones aeróbicas en la composición de fermentación. Estas condiciones de bajo volumen en el recipiente 102 pueden extenderse durante el primer tercio del proceso de fermentación aeróbica. Durante estas primeras etapas del proceso de fermentación aeróbica cuando el volumen de la composición de fermentación en el recipiente 102 es bajo, el circuito 108 de recirculación puede proporcionar la tasa de transferencia de masa de oxígeno suficiente para mantener las condiciones aeróbicas en la composición de fermentación. La transferencia de masa de oxígeno usando el circuito 108 de recirculación también puede ser ventajosa durante las primeras etapas del proceso de fermentación durante las cuales pueden ser necesarios períodos de mayores tasas de transferencia de masa de oxígeno para compensar el mayor consumo de oxígeno a través del metabolismo microbiano. Por ejemplo, puede ocurrir una alta demanda de oxígeno durante la fase temprana de crecimiento en la que aumenta la población microbiana. Durante la fase de crecimiento, el consumo de oxígeno por parte de los microorganismos aumenta, lo que exige mayores tasas de transferencia de masa de oxígeno.

A medida que avanza el proceso de fermentación aeróbica, se añaden medios nutritivos a la composición de fermentación, aumentando así el volumen de la composición de fermentación en el recipiente 102 y la altura H de la composición de fermentación en el recipiente 102. A medida que la altura H de la composición de fermentación en el recipiente 102 aumenta, aumenta la eficiencia de la transferencia de masa de oxígeno por el sistema 106 de aireación. La altura H de la composición de fermentación en el recipiente 102 puede aumentar hasta una altura umbral en la que la tasa de transferencia de masa de oxígeno a la composición de fermentación resultante del sistema 106 de aireación es suficiente para mantener las condiciones aeróbicas en la composición de fermentación. A mayores volúmenes de composición de fermentación en el recipiente 102, como durante los últimos dos tercios aproximadamente del proceso de fermentación aeróbica, el circuito 108 de recirculación puede continuar proporcionando mezcla adicional de la composición de fermentación y transferencia de calor desde la composición de fermentación.

En algunas realizaciones, la tasa de transferencia de masa de oxígeno a la composición de fermentación se puede controlar durante el funcionamiento del sistema 100 controlando al menos una de las tasas de flujo de gas que contiene oxígeno introducido por el sistema 106 de aireación, una concentración de oxígeno en el gas que contiene oxígeno introducido por el sistema 106 de aireación, un caudal de gas que contiene oxígeno introducido en el eductor 140 del sistema 108 de recirculación, la concentración de oxígeno en el gas que contiene oxígeno introducido en el eductor 140 del sistema 108 de recirculación , o una viscosidad de la composición de fermentación. En otras realizaciones, la tasa de transferencia de masa de oxígeno a la composición de fermentación se puede controlar durante el funcionamiento del sistema 100 controlando la altura de la composición de fermentación en el recipiente 102. En realizaciones en las que el recipiente 102 es un recipiente a presión, la tasa de transferencia de masa de oxígeno a la composición de fermentación se puede controlar durante el funcionamiento del sistema 100 controlando la presión en el recipiente 102.

En realizaciones, la composición de fermentación se puede hacer pasar a través del circuito 108 de recirculación a lo largo de la duración del proceso de fermentación aeróbica. En algunas realizaciones, el circuito 108 de recirculación puede funcionar durante el proceso de fermentación aeróbica al menos hasta que la altura H de composición de fermentación en el recipiente 102 alcanza la altura umbral en la que el tiempo de contacto de las burbujas de gas que contiene oxígeno del sistema 106 de aireación es suficiente para mantener la tasa de transferencia de masa de oxígeno en la composición de fermentación que es igual o mayor que la tasa de absorción de oxígeno en la composición de fermentación debido al metabolismo microbiano.

Al finalizar el proceso de fermentación aeróbica, la composición de fermentación puede eliminarse del recipiente 102, y uno o una pluralidad de compuestos y/o productos de fermentación resultantes del metabolismo del medio nutritivo por los microorganismos pueden separarse de la composición de fermentación.

El sistema 100 que tiene la combinación del sistema 106 de aireación y el circuito 108 de recirculación puede proporcionar una tasa de transferencia de masa de oxígeno a la composición de fermentación suficiente para mantener las condiciones aeróbicas en la composición de fermentación en el recipiente 102 durante todo el proceso de fermentación. En realizaciones, el sistema 100 que tiene la combinación del sistema 106 de aireación y el circuito 108 de recirculación puede proporcionar una tasa de transferencia de masa de oxígeno suficiente para mantener las condiciones aeróbicas en el proceso de fermentación sin emplear agitación motorizada. En algunas realizaciones, el sistema 100 que tiene la combinación del sistema 106 de aireación y el circuito 108 de recirculación puede proporcionar una tasa de transferencia de masa de oxígeno de 10 milimoles por litro por hora (mmol/L/h) a 150 mmol/L/h. En realizaciones, el sistema 100 que tiene la combinación del sistema 106 de aireación y el circuito 108 de recirculación puede proporcionar una tasa de transferencia de masa de oxígeno de 10 mmol/L/h a 120 mmol/L/h, de 10 mmol/L/h a 80 mmol/L/hr, de 10 mmol/L/hr a 50 mmol/L/hr, de 30 mmol/L/hr a 150 mmol/L/hr, de 30 mmol/L/hr a 120 mmol/L/ hr, de 30 mmol/L/hr a 80 mmol/L/hr, de 50 mmol/L/hr a 150 mmol/L/hr, de 50 mmol/L/hr a 120 mmol/L/hr, de 50 mmol /L/h a 80 mmol/L/h, de 80 mmol/L/h a 150 mmol/L/h, o de 80 mmol/L/h a 120 mmol/L/h. En algunas realizaciones, el sistema 100 que tiene la combinación del sistema 106 de aireación y el circuito 108 de recirculación puede proporcionar una tasa de transferencia de masa de oxígeno de hasta 150 mmol/L/h, o hasta 120 mmol/L/h, o hasta 100 mmol/L/hr, o hasta 80 mmol/L/hr.

Los sistemas 100, 200 que tienen la combinación del sistema 106 de aireación y el circuito 108 de recirculación (y opcionalmente el circuito 208 de recirculación suplementario) permiten una mayor capacidad de producción de uno o una pluralidad de productos usando fermentación aeróbica en comparación con los fermentadores aeróbicos típicos que no tienen tanto el sistema 106 de aireación como el circuito 108 de recirculación. Los sistemas 100, 200 que tienen el sistema 106 de aireación y el circuito 108 de recirculación permiten el uso de tanques de mayor volumen para el recipiente 102, como tanques que tienen volúmenes de 100 m3 a 4000 m3, por ejemplo. Además, los sistemas 100, 200 pueden permitir el uso de recipientes 102 que tienen relaciones de aspecto más pequeñas, como relaciones de aspecto de 0,5 a 4, por ejemplo, en comparación con los fermentadores aeróbicos típicos. Los sistemas 100, 200 también pueden permitir que se realice la fermentación aeróbica a presiones ambientales. Operar la fermentación aeróbica a presiones ambientales permite el uso de recipientes 102 que no están clasificados para presión (p. ej., tanques no presurizados) y, por lo tanto, tienen paredes más delgadas y son más rentables en comparación con los recipientes a presión.

El sistema 106 de aireación y el circuito 108 de recirculación del sistema 100 proporcionan una mezcla uniforme de la composición de fermentación en el recipiente 102. Proporcionar una mezcla uniforme de la composición de fermentación en el recipiente 102 puede eliminar la necesidad de sistemas de agitación motorizados y/o mecánicos que requieren mucho capital, que pueden requerir grandes motores de más de 3000 hp. En realizaciones, el sistema 100 puede estar libre de agitación motorizada y/o mecánica y sistemas de agitación motorizados/mecánicos. La eliminación del requisito de los sistemas de agitación motorizados puede permitir que los recipientes de paredes delgadas, como tanques que cumplen con los estándares del Instituto Americano del Petróleo (API) para tanques de almacenamiento de petróleo, por ejemplo, se utilicen como el recipiente 102 del sistema 100 para realizar fermentaciones aeróbicas de mayor productividad. En realizaciones, el recipiente 102 del sistema 100 puede ser un recipiente agitado no mecánicamente. Los sistemas 100, 200 que tienen la combinación del sistema 106 de aireación y el circuito 108 de recirculación también pueden permitir la adaptación de recipientes no agitados existentes para realizar fermentación aeróbica y pueden reducir el espesor de los recipientes 102 especificados para nuevas instalaciones de fermentación aeróbica.

La combinación del sistema 106 de aireación y el circuito 108 de recirculación de los sistemas 100, 200 puede proporcionar tasas de transferencia de masa de oxígeno a la composición de fermentación suficientes para mantener las condiciones aeróbicas en la composición de fermentación en un amplio intervalo de volúmenes de líquido en el recipiente 102. Esto es particularmente efectivo para procesos de fermentación aeróbica alimentados por lotes. Durante la fase de crecimiento inicial (bajo volumen de líquido) de un proceso de fermentación aeróbica alimentados por lotes, se espera que la eficiencia del sistema 106 de aireación sea pequeña. Durante esta fase de crecimiento inicial, las altas tasas de transferencia de masa de oxígeno en el circuito 108 de recirculación proporcionan la transferencia de masa de oxígeno suficiente para satisfacer las demandas de oxígeno disuelto y mantener las condiciones aeróbicas en la composición de fermentación. Como se describió anteriormente, una vez que el nivel de la composición de fermentación en el recipiente 102 es lo suficientemente grande, se espera que la transferencia de masa de oxígeno usando el circuito 108 de recirculación sea menos eficiente debido al mayor tiempo de rotación de la composición de fermentación. El tiempo de rotación es el tiempo que se tarda en hacer circular el equivalente del volumen total de la composición de fermentación a través del circuito 108 de recirculación. Por lo tanto, a mayores volúmenes de composición de fermentación en el recipiente 102, el sistema 106 de aireación proporciona una transferencia de masa de oxígeno mayor y más eficiente a la composición de fermentación en comparación con el circuito 108 de recirculación.

Los sistemas 100, 200 pueden proporcionar una alternativa para realizar fermentaciones con microorganismos resistentes al cizallamiento. Los termentadores agitados que tienen sistemas de agitación motorizados producen valores de cizallamiento de 3000 por segundo (s-1) o mayor, que es del mismo orden de magnitud que los valores de cizallamiento esperados de los mezcladores 142 estáticos. Los mezcladores 142 estáticos, por lo tanto, pueden proporcionar tasas de cizallamiento lo suficientemente bajas para evitar provocar daño a los microorganismos resistentes al cizallamiento y evitar comprometer el rendimiento del termentador. Por lo tanto, los sistemas 100, 200 pueden proporcionar un reemplazo para los sistemas de fermentación agitada.

Además, los sistemas 100, 200 que tienen el sistema 106 de aireación y el circuito 108 de recirculación pueden proporcionar la posibilidad de tener solo el circuito 108 de recirculación como fuente de transferencia de masa de oxígeno a la composición de fermentación. Utilizar solo el circuito 108 de recirculación para transferir oxígeno a la composición de fermentación puede proporcionar un entorno de fermentación propicio para realizar la fermentación de microorganismos anaeróbicos facultativos o microaerófilos. Las bacterias anaerobias facultativas pueden crecer en presencia o ausencia de oxígeno, pero la presencia de oxígeno aumenta y puede alterar su metabolismo. Algunos ejemplos de bacterias anaeróbicas facultativas pueden incluir, entre otras, algunas especies de Lactobacillus, Bacillus, Streptococcus, Enterococcus, o leucostoc, por ejemplo. Los microorganismos microaerófilos y estrictamente aeróbicos no pueden crecer o fermentar materiales orgánicos de forma anaeróbica. Sin embargo, los microorganismos microaerófilos pueden seguir diferentes rutas metabólicas en presencia de altas concentraciones de oxígeno. Los ejemplos de microorganismos microaerófilos pueden incluir, entre otros, algunas especies de Escherichia, Klebsiellae, estreptomices, o Propionibacterium, por ejemplo. Los sistemas 100, 200 divulgados en el presente documento pueden proporcionar un control mejorado de la tasa de transferencia de masa de oxígeno a la composición de fermentación para realizar fermentaciones eficaces con estos microorganismos anaerobios facultativos o microorganismos microaerófilos.

El sistema 100 que tiene el recipiente 102, el sistema 106 de aireación y el circuito 108 de recirculación como se describe en el presente documento puede emplearse en un método para realizar una fermentación aeróbica. Un método para realizar la fermentación aeróbica incluye introducir la composición de fermentación en el recipiente 102, rociar una primera corriente de gas que contiene oxígeno en la composición de fermentación y hacer pasar una corriente de la composición de fermentación en el circuito 108 de recirculación que comprende al menos un eductor 140, en al menos un mezclador 142 estático aguas abajo del al menos un eductor 140, y al menos un intercambiador 144 de calor aguas abajo del al menos un eductor 140. La primera corriente que contiene oxígeno puede rociarse en la composición de fermentación en el recipiente 102 mediante el sistema 106 de aireación que tiene el compresor 122, el rociador 120 y el sistema 132 de esterilización de aire opcional. El método para realizar la fermentación aeróbica incluye además educir una segunda corriente de gas que contiene oxígeno en la corriente de la composición de fermentación con al menos un eductor 140 para producir una corriente 160 combinada que comprende una fase líquida y una fase gaseosa, en donde la fase líquida comprende la composición de fermentación y la fase gaseosa comprende el segundo gas que contiene oxígeno. El método incluye además transferir oxígeno de la fase gaseosa a la fase líquida utilizando al menos un mezclador 142 estático para producir una composición 168 de fermentación oxigenada. El método incluye eliminar calor de la composición 168 de fermentación oxigenada con al menos un intercambiador 144 de calor y hacer pasar la composición 168 de fermentación oxigenada desde el circuito de recirculación de regreso al recipiente 102.

Como se discutió anteriormente, en las realizaciones, el recipiente 102 puede tener una relación de aspecto de 0,5 a 4, o de 0,5 a 2,0. La relación de aspecto del recipiente 102 se define como la altura de la composición de fermentación en el recipiente 102 dividida por el diámetro del recipiente. En algunas realizaciones, el volumen interno del recipiente puede ser de 100 metros cúbicos (m3) a 4000 m3, o desde 500 m3 a 2000 m3. El recipiente 102 puede incluir cualquier característica o propiedad según una realización descrita anteriormente en esta divulgación.

En las realizaciones, el método puede incluir además educir una tercera corriente de gas que contiene oxígeno en la composición de fermentación oxigenada aguas abajo del al menos un mezclador 142 estático y el al menos un intercambiador 144 de calor. En las realizaciones, el al menos un mezclador 142 estático puede disponerse dentro del al menos un intercambiador 144 de calor. En algunas realizaciones, la composición de fermentación puede incluir un cultivo celular y un medio nutritivo. El sistema 100, incluido el recipiente 102, el sistema 106 de aireación, el circuito 108 de recirculación y sus componentes, puede tener cualquiera de las características y/o propiedades según cualquiera de las realizaciones descritas anteriormente en esta divulgación.

Los sistemas 100, 200 para realizar fermentaciones aeróbicas también se pueden emplear en un método para adaptar o convertir eficientemente un fermentador anaeróbico en un fermentador aeróbico. Por ejemplo, el sistema 106 de aireación, el sistema 108 de recirculación, o ambos, pueden estar en acoplamiento de fluidos con el recipiente de un fermentador anaeróbico existente para convertir el fermentador anaeróbico en el sistema 100, 200 para convertir fermentaciones aeróbicas. La conversión de fermentadores anaeróbicos existentes a los sistemas 100, 200 para realizar fermentaciones aeróbicas puede ser más eficaz y rentable que construir nuevos sistemas de fermentación aeróbica. Haciendo referencia a la FIG. 1, un método para convertir un fermentador anaeróbico en un sistema 100 para realizar la fermentación aeróbica incluye el acoplamiento de fluidos de un sistema 106 de aireación a un recipiente 102 del fermentador anaeróbico, en donde el sistema 106 de aireación incluye un rociador 120 en acoplamiento de fluidos con el recipiente 102 y colocado para introducir un gas comprimido en un volumen interno del recipiente 102. El método incluye además el acoplamiento de fluidos de un circuito 108 de recirculación a una salida 104 del recipiente 102. El circuito 108 de recirculación incluye un eductor 140, al menos un mezclador 142 estático colocado aguas abajo del eductor 140, al menos un intercambiador 144 de calor colocado aguas abajo del eductor 140, y al menos un distribuidor 146 colocado aguas abajo del al menos un mezclador 142 estático y al menos un intercambiador 144 de calor. El distribuidor 146 puede estar en acoplamiento de fluidos con el volumen interno del recipiente 102. El circuito 108 de recirculación también puede incluir una bomba 170 para hacer circular la composición de fermentación a través del circuito 108 de recirculación.

Ejemplo

Los siguientes ejemplos se presentan para demostrar el rendimiento de diversos aspectos de los sistemas 100, 200 descritos en esta descripción.

Ejemplo 1

Transferencia de masa de oxígeno por aireación

Se realizaron experimentos para determinar los criterios de aumento de escala apropiados para generar un coeficiente kLa de transferencia de masa volumétrica de 0,1 por segundo (s-1) dentro de todo el recipiente del sistema de fermentación aeróbica. Los experimentos se realizaron en un recipiente de 1800 galones que tenía un sistema de aireación en acoplamiento de fluidos con el recipiente. El recipiente tenía un diámetro D interno de 66 pulgadas y una altura Hv lateral recta de 120". La altura H del líquido dentro del recipiente se cambió añadiendo más líquido al recipiente o drenando una parte del contenido existente. Los experimentos se realizaron en un intervalo de alturas H de líquido de 3 pies a 8 pies correspondientes a relaciones de aspecto (H/D) en el intervalo de 0,55 a 1,5. En cada experimento, el líquido utilizado fue agua a una temperatura nominal de 18 °C a 20 °C. El aire se introdujo en el recipiente a través de un rociador de aire que tenía un diámetro exterior nominal de aproximadamente 50 pulgadas, y el caudal de aire se controló usando una válvula de flujo controlada neumáticamente. Para cada altura de líquido, el sistema de aireación burbujeó el gas que contenía oxígeno a través del líquido a diferentes velocidades Qg de aireación que van desde 20 pies cúbicos estándar por minuto (scfm) hasta 300 scfm. La concentración de oxígeno en el líquido C ( t) se midió en función del tiempo para cada experimento caracterizado por un conjunto diferente de parámetros (H, (Qg) operativos. El coeficiente kLa de transferencia de masa volumétrica, a continuación, se estimó a partir de la C ( t) mediciones. Este método se conoce comúnmente como el método dinámico kLa de medida. La concentración de oxígeno en el líquido C(t) se midió utilizando un medidor de oxígeno disuelto (OD) modelo ProODO comercializado por YSI, Inc. La sonda del medidor de DO tenía un retraso de respuesta, tp = 9 segundos. Este retraso se tuvo en cuenta al estimar el kLa de las mediciones temporales del oxígeno disuelto. Para cada experimento a cada altura de líquido y velocidad de aireación (H, (Qg), un criterio adimensional, a saber, la eficiencia ns de transferencia de oxígeno, se dedujo de los experimentos. Se utilizó la siguiente Ecuación 2 para calcular la eficiencia de transferencia de oxígeno:

k ,a AC

i?s(%) = TT~ñ7 x — x 100 Ecuación 2

Qg/Vi Po2

donde Qg es la tasa de aireación (metros cúbicos estándar de gas por segundo (std m3/s)) del gas en el líquido en el recipiente, Vi es el volumen de líquido en metros cúbicos (m3), pc >2 es el peso en kilogramos de oxígeno (O²) por metro cúbico estándar de aire (kgO2/std-m3-aire), y AC es el cambio en la concentración de oxígeno en el líquido de la composición de fermentación en unidades de kilogramos de oxígeno (O2) por metro cúbico de la composición de fermentación (caldo) (kgO²/m3-caldo). La eficiencia ns de transferencia de oxígeno se informa aquí en unidades de porcentaje (%).

Con referencia ahora a la FIG.5, la eficiencia ns de transferencia de oxígeno se representa frente a la tasa de gasificación específica (es decir, el caudal volumétrico de gas por minuto, por unidad de volumen de líquido (VVM)) para cada una de las diferentes alturas de líquido. La tasa de gasificación específica VVM se calculó a partir de la Ecuación 3:

Qq

VVM = 60 x - f Ecuación 3

n

donde VVM está en unidades de por minuto (min-1). La serie 502 representa la tasa de transferencia de oxígeno ns a una altura de líquido de 3 pies a diversas tasas Qg de aireación. La serie 504 representa la tasa de transferencia de oxígeno ns a una altura de líquido de 4 pies a diversas tasas Qg de aireación. La serie 506 representa la tasa de transferencia de oxígeno ns a una altura de líquido de 6 pies a diversas tasas Qg de aireación. La serie 508 representa la tasa de transferencia de oxígeno ns a una altura de líquido de 7 pies a diversas tasas Qg de aireación. La serie 510 representa la tasa de transferencia de oxígeno ns a una altura de líquido de 8 pies a diversas tasas Qg de aireación. Como se muestra en la FIG.5, en cada altura, la eficiencia ns de transferencia de oxígeno en el líquido es relativamente insensible a los cambios en VVM, como lo indica la falta de cambios sustanciales en la eficiencia ns de transferencia de oxígeno con incremento VVM. Esto indica que la eficiencia ns de transferencia de oxígeno es relativamente insensible a los cambios en la Qg tasa de aireación. Sin embargo, la eficiencia ns de transferencia de oxígeno aumenta con el aumento de la altura del líquido desde alrededor del 2% a la altura de 3 pies de la serie 502 hasta alrededor del 7% a la altura de 12 pies 510.

Con referencia ahora a la FIG. 6, la eficiencia ns, media media de transferencia de oxígeno se representa contra la altura H del líquido en pies. La eficiencia media de transferencia de oxígeno en cada altura H se determinó usando la siguiente Ecuación 4:

^{n media} = Q ^ ^{Vs,n(Qg,n> H )} ^{Ecuación 4}

n

donde n es el número de puntos de datos recopilados en cada altura H de líquido específica (en este ejemplo, n es igual a 6), y qs, n es la eficiencia de transferencia de oxígeno en cada punto de datos para cada altura H de líquido específica. Como se muestra en la FIG. 6, la eficiencia qs, media media de transferencia de oxígeno aumenta casi linealmente con el aumento de la altura H del líquido desde una altura de líquido de 3 pies 602 a 4 pies 604, 6 pies 606, 7 pies 608 y 8 pies 610. Una línea 612 de tendencia se ajusta a los datos de la FiG. 6 exhibe una pendiente de aproximadamente 0,85% por pie, lo que indica que un aumento de un pie en la altura H del líquido produce un aumento de alrededor del 0,85% en la eficiencia qs, media media de transferencia de oxígeno

Con este entendimiento, una eficiencia de transferencia de oxígeno a escala de producción puede ser del 10% al 40%. Aplicando este intervalo de eficiencias de transferencia de oxígeno, un caudal Qg de aireación suficiente para proporcionar un coeficiente k_a de transferencia de masa volumétrica global específico puede estimarse usando la siguiente Ecuación 5:

Ecuación 5

donde qs se puede estimar a partir de la FIG. 6, kLa es el coeficiente de transferencia de masa volumétrica y es parte de la memoria descriptiva del proceso, V i es el volumen del líquido, AC es 0,0085 kilogramos de oxígeno (O2) por metro cúbico de la composición de fermentación (caldo) (kgO²/metro3-caldo), y P 02 es aproximadamente igual a 0,28 kilogramos de oxígeno (O2) por metro cúbico estándar de aire (kgO2/std-m3-aire). Se recomienda un factor de seguridad del 50% sobre el estimado Qg para tener en cuenta las incertidumbres en las condiciones de funcionamiento (por ejemplo, viscosidad, temperatura, composición del caldo, etc.). Como ejemplo, una tasa de Qg aireación en la escala de producción de 2000 m3 se espera que esté en un intervalo de 20,000 scfm a 80,000 scfm para entregar una tasa de transferencia de masa de oxígeno en el intervalo de 0.02 s-1 a 0,12 s-1.

Ejemplo 2

Transferencia de masa de oxígeno en circuito de recirculación con mezcladores estáticos

El aumento de la tasa de transferencia de masa de oxígeno al hacer circular la composición de fermentación a través del circuito 108 de recirculación puede proporcionar un rendimiento mejorado durante ciertas etapas del proceso de fermentación aeróbica. Como ejemplo, tal situación ocurre durante la fase de crecimiento de la población microbiana (microorganismo), cuando se necesitan tasas de transferencia de masa de oxígeno mucho mayores para mantener la tasa de transferencia de masa de oxígeno a un nivel igual o mayor que el consumo de oxígeno disuelto a través de metabolismo microbiano en comparación con el funcionamiento normal del proceso de fermentación aeróbica. Como se discutió anteriormente en este documento, limitar la longitud de la recirculación puede reducir las incrustaciones de las superficies del circuito de recirculación. Esto significa un tiempo de residencia más corto para la composición de fermentación en el circuito de recirculación. Por lo tanto, la recirculación puede diseñarse para proporcionar mayores tasas de transferencia de oxígeno en comparación con el sistema de aireación.

Se realizaron experimentos para demostrar la viabilidad de obtener mayores tasas de transferencia de oxígeno utilizando un circuito de recirculación que tiene un eductor y un mezclador estático. Haciendo referencia a la FIG. 7, el aparato 700 de laboratorio usado para realizar los experimentos constaba de un primer tanque 702 de retención, una bomba 770 centrífuga operada con un impulsor de frecuencia variable (VFD) 771, un medidor 772 de flujo para medir el caudal de líquido suministrado al conjunto 738 de mezclador eductor-estático y una línea 761 de flujo para aire. El caudal de aire se midió utilizando un rotámetro 760. El conjunto 738 de mezclador eductor-estático incluía un eductor 740 y un mezclador 742 estático colocadas aguas abajo del eductor 740. El mezclador estático era un SMX™ nominal de 1 pulgada mezclador estático fabricado por Sulzer Ltd. El flujo bifásico gas-líquido que emerge del conjunto 738 del mezclador eductor-estático se recogió en un segundo tanque 704 de retención, donde las burbujas de aire se separaron del líquido, dejando atrás el agua 706 oxigenada. Un primer medidor de OD 710 se colocó en el primer tanque de retención para medir el nivel de oxígeno disuelto en el primer tanque 702 de retención, y un segundo medidor de Od 712 se colocó en el segundo tanque 704 de retención para medir el nivel de oxígeno disuelto en el agua 706 oxigenada en el segundo tanque 704 de retención. El primer medidor de OD 710 y el segundo medidor de OD 712 eran ambos medidores de OD modelo ProODO comercializados por YSI, Inc. El nivel de oxígeno disuelto en el primer tanque 702 de retención se registró como C¡ y el nivel de oxígeno disuelto en el segundo tanque 704 de retención se registró como Co . Los experimentos se realizaron a múltiples caudales Qi de líquido a través del contactor que van desde 2 galones por minuto (gpm) a 10 gpm. Para cada caudal Qi de líquido, el caudal Q ^g de aire se varió de tal manera que la relación de caudal estaba en el intervalo de 0,05 a 1. Para cada experimento, el kLa el valor se estimó usando la Ecuación 6:

Ecuación 6

Donde Dtubería es el diámetro interior de la tubería del conjunto 738 mezclador eductor-estático y es igual a 1,04 pulgadas, y Ltubería es la longitud de la tubería que se extiende desde el eductor 740 hasta el segundo tanque 704 de retención y es igual a 40 pulgadas.

La FIG. 8A es una fotografía del mezclador 742 estático del aparato 700 de laboratorio del Ejemplo 2. El mezclador 742 estático se colocó dentro de un conducto transparente para permitir la inspección visual y la formación de imágenes del flujo a través del mezclador 742 estático. Las FIGS. 8B-8E son fotografías del flujo del líquido 802 y las burbujas 804 de aire a través del mezclador 742 estático tomadas en la región A de la FIG. 8A. La relación entre el caudal de gas y el caudal de líquido fue constante en 0,8 para cada una de las FIGS. 8B-8E. El caudal total para la FIG. 8B fue de 2 galones por minuto (gpm), el caudal total para la FIG. 8C fue de 4 gpm, el caudal total para la FIG.

8D fue de 6 gpm, y el caudal total para la FIG. 8E fue de 8 gpm. Como se muestra en las FIGS. 8B-8E, el tamaño medio de las burbujas de gas creadas por el mezclador 742 estático disminuye a medida que aumenta el caudal total a través del mezclador 742 estático.

Una consideración al dimensionar el equipo de producción es garantizar un flujo turbulento en todas partes dentro del mezclador estático. La FIG. 9 muestra el coeficiente ki_a de transferencia de masa volumétrica valores obtenidos dentro del circuito de recirculación en un intervalo de caudales 0/ de líquido y caudales Qg de gas trazado como una función de la velocidad Ug superficial del gas (m/s) superficial del gas a través del conjunto 738 mezclador eductor-estático, que se calcula utilizando la Ecuación 7:

4 Qq

U = — — Ecuación 7

9 n Dtu 2b-ería

donde (Qg es el caudal de gas y Dtubería es el diámetro interior de la tubería del conjunto 738 mezclador eductor-estático y es igual a 1,04 pulgadas. En la FIG. 9, la serie 902 de datos se obtuvo con un caudal de líquido de 2 galones por minuto (gpm), la serie 904 de datos se obtuvo con un caudal de líquido de 4 gpm, la serie 906 de datos se obtuvo con un caudal de líquido de 5 gpm, la serie 908 de datos se obtuvo a un caudal de líquido de 6 gpm, y la serie 910 de datos se obtuvo a un caudal de líquido de 8 gpm. Como se muestra en la FIG. 7, aumentando la velocidad Ug superficial del gas a través del mezclador 742 estático aumenta el coeficiente kLa de transferencia de masa volumétrica. Como se muestra por la línea 920 de tendencia en la FIG. 9, la relación entre la velocidad Ug superficial del gas a través del mezclador 742 estático y el coeficiente kLa de transferencia de masa volumétrica es generalmente lineal. La pendiente de la línea 920 de tendencia en la FIG. 9 son 4.3 minutos-1. Sin embargo, es probable que la pendiente de la línea 920 de tendencia dependa del tipo de mezclador 742 estático utilizado (SMX en el presente caso) y de los detalles de la geometría del eductor. La pendiente es en gran medida insensible a los caudales de gas y líquido.

Como se muestra en la FIG. 9, los coeficientes k_a de transferencia de masa volumétrica medidos para el circuito de recirculación en el Ejemplo 2 son de 5 a 30 veces mayores que el coeficiente k_a de transferencia de masa volumétrica para el sistema de aireación del Ejemplo 1.

A lo largo de esta divulgación se proporcionan intervalos para diversos parámetros y características del sistema 100 para realizar fermentaciones aeróbicas. Se apreciará que cuando se proporcionan uno o más intervalos explícitos, también se pretende proporcionar los valores individuales y los intervalos formados entre ellos, ya que es prohibitivo proporcionar una lista explícita de todas las combinaciones posibles. Por ejemplo, un intervalo proporcionado de 1-10 también incluye los valores individuales, como 1,2, 3, 4.2 y 6.8, así como todos los intervalos que pueden formarse dentro de los límites proporcionados, como 1-8, 2-4, 6-9 y 1.3-5.6.

Debe entenderse ahora que se describen varios aspectos del sistema 100 para realizar la fermentación aeróbica y los métodos para realizar la fermentación aeróbica usando el sistema 100 y dichos aspectos pueden utilizarse junto con otros diversos aspectos.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema para la fermentación aeróbica que comprende:

un recipiente;

un sistema de aireación que comprende un rociador de gas en acoplamiento de fluidos con el recipiente y colocado para introducir un gas comprimido en un volumen interno del recipiente; y

un circuito de recirculación en acoplamiento de fluidos con una salida del recipiente, el circuito de recirculación que comprende:

al menos un eductor en acoplamiento de fluidos con una fuente de gas que contiene oxígeno;

al menos un mezclador estático aguas abajo del al menos un eductor;

al menos un intercambiador de calor aguas abajo del al menos un eductor; y

al menos un distribuidor aguas abajo del al menos un mezclador estático y el al menos un intercambiador de calor, el al menos un distribuidor en acoplamiento de fluidos con el volumen interno del recipiente;

en donde cuando se introduce una composición de fermentación en el recipiente, el rociador de gas y el circuito de recirculación proporcionan mezcla a la composición de fermentación, y una corriente de la composición de fermentación pasa desde el recipiente al circuito de recirculación, a través del al menos un eductor, el al menos un mezclador estático y al menos un intercambiador de calor del circuito de recirculación, y sale del al menos un distribuidor de regreso al volumen interno del recipiente.

2. El sistema de la reivindicación 1, en donde el recipiente tiene una relación de aspecto máxima de 0,5 a 4, o de 0,5 a 2,0, la relación de aspecto máxima del recipiente definida como la altura máxima de la composición de fermentación en el recipiente dividida por el diámetro del recipiente, y en donde el volumen interno del recipiente es de 100 metros cúbicos (m3) a 4000m3, o desde 500 m3 a 2000 m3.

3. El sistema de cualquier reivindicación precedente, en donde el circuito de recirculación comprende además una bomba en acoplamiento de fluidos con el circuito de recirculación, en donde cuando la composición de fermentación se introduce en el recipiente, la bomba hace circular la corriente de composición de fermentación a través del circuito de recirculación.

4. El sistema de cualquier reivindicación precedente, en donde al menos un mezclador estático está colocado dentro de al menos un intercambiador de calor.

5. El sistema de cualquier reivindicación precedente, en donde el al menos un intercambiador de calor comprende un intercambiador de calor de carcasa y tubos, un intercambiador de calor de placa y marco, o ambos.

6. El sistema de cualquier reivindicación precedente, en donde el distribuidor está colocado dentro del volumen interior del recipiente.

7. El sistema de cualquier reivindicación precedente, en donde el sistema de aireación comprende al menos un compresor en acoplamiento de fluidos con el rociador de aire.

8. El sistema de la reivindicación 7, en donde el sistema de aireación comprende además un aparato de esterilización de aire en acoplamiento de fluidos con el compresor o al rociador de aire.

9. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el circuito de recirculación comprende un primer eductor y un segundo eductor, en donde el primer eductor está colocado aguas arriba del al menos un intercambiador de calor y el al menos un mezclador estático y el segundo eductor está colocado aguas abajo del al menos un intercambiador de calor y al menos un mezclador estático.

10. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el circuito de recirculación comprende al menos un primer intercambiador de calor y al menos un segundo intercambiador de calor, en donde al menos un primer intercambiador de calor está colocado aguas arriba del al menos un eductor, y el al menos un segundo intercambiador de calor está colocado aguas abajo del al menos un eductor.

11. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además al menos un circuito de recirculación suplementario que comprende un eductor, un intercambiador de calor y un mezclador estático.

12. Un método para realizar la fermentación aeróbica, el método que comprende:

introducir una composición de fermentación en un recipiente;

rociar una primera corriente de gas que contiene oxígeno en la composición de fermentación;

hacer pasar una corriente de la composición de fermentación a un circuito de recirculación que comprende al menos un eductor, al menos un mezclador estático aguas abajo del al menos un eductor y al menos un intercambiador de calor aguas abajo del al menos un eductor;

educir una segunda corriente de gas que contiene oxígeno en la corriente de la composición de fermentación con al menos un eductor para producir una corriente combinada que comprende una fase líquida y una fase gaseosa, en donde la fase líquida comprende la composición de fermentación y la fase gaseosa comprende el segundo gas que contiene oxígeno;

transferir oxígeno desde la fase gaseosa a la fase líquida utilizando al menos un mezclador estático para producir una composición de fermentación oxigenada en la fase líquida;

eliminar calor de la composición de fermentación oxigenada utilizando al menos un intercambiador de calor; y

hacer pasar la composición de fermentación oxigenada desde el circuito de recirculación de vuelta al recipiente.

13. El método de la reivindicación 12, en donde el recipiente tiene una relación de aspecto máxima de 0,5 a 4, o de 0,5 a 2,0, la relación de aspecto máxima del recipiente definida como la altura máxima de la composición de fermentación en el recipiente dividida por el diámetro del recipiente, y en donde el volumen interno del recipiente es de 100 metros cúbicos (m3) a 4000 m3, o desde 500 m3 a 2000 m3.

14. El método de cualquiera de las reivindicaciones 12 o 13, que comprende además educir una tercera corriente de gas que contiene oxígeno en la composición de fermentación oxigenada aguas abajo del al menos un mezclador estático y el al menos un intercambiador de calor.

15. El método de cualquiera de las reivindicaciones 12-14, en donde la composición de fermentación comprende un cultivo celular y un medio nutritivo.