WO2012021955A1

WO2012021955A1 - Sistema e processo de correção de acidez a volume constante de meios fermentativos para produção de ácidos orgânicos

Info

Publication number: WO2012021955A1
Application number: PCT/BR2011/000287
Authority: WO
Inventors: Paulo Yoshida
Original assignee: Companhia Refinadora Da Amazônia
Priority date: 2010-08-19
Filing date: 2011-08-17
Publication date: 2012-02-23
Also published as: BRPI1004963A2; US20130157329A1; EP2607472A4; JP2013535224A; EP2607472A1

Abstract

É descrito um sistema (100, 200) de correção de acidez a volume constante de meios fermentativos para a produção de ácidos orgânicos, o qual compreende um fermentador (1) dotado de sensor (P1) de pH, um módulo de filtração (2) dotado de elemento filtrante, um vaso de adição (3) dotado de elemento dosador (4) de base, e um trocador de calor (5). O funcionamento do sistema (100, 200) é controlado por um controlador (CT). Assim que o sensor (P1) detecta redução de pH abaixo dos valores ideais de produção de ácido orgânico, o controlador (CT) calcula a quantidade de meio fermentativo a ser retirada do fermentador (1) e a mesma é dirigida para o vaso (3) para ser alcalinizada e retornada ao sistema. Arranjos do sistema com mais de um fermentador são também descritos. O processo de correção de acidez que emprega o sistema (100,200) da invenção também é descrito.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: "SISTEMA E PROCESSO DE CORREÇÃO DE ACIDEZ A VOLUME CONSTANTE DE MEIOS FERMENTATIVOS PARA A PRODUÇÃO DE ÁCIDOS ORGÂNICOS".

Campo da Invenção

A presente invenção pertence ao campo dos sistemas e processos de obtenção de ácidos orgânicos por fermentação, mais especificamente, ao sistema e processo de correção de acidez a volume constante de meios fermentativos.

Fundamentos da Invenção

É bem conhecido na literatura técnica e cientifica (Benninga, H. A history of lactic acid making: a chapter in the history of biotechnology. Klu er Academic Press, The Nederlands, 1989) que a fermentação anaeróbica de açúcares como a glicose, frutose e a sacarose tem como um dos produtos finais o ácido lático. Outros tipos de ácidos orgânicos como ácido cítrico, ácido maleico, ácido fumárico, ácido adípico, ácido succínico, ácido tartárico, dentre outros, também podem ser gerados em processos semelhantes. Bactérias do tipo Lactobacillus sp. consistem em um dos micro-organismos mais utilizados na obtenção de ácidos orgânicos por meio fermentativo, fornecendo uma alternativa aos métodos de síntese com produtos derivados de petróleo. No caso da fermentação láctica, o processo somente pode acontecer em faixas de processo bem definidas. É observado, por exemplo, que qualquer variação significativa nos valores de pH do meio fermentativo implica em baixa produtividade ou mesmo no completo cessamento da produção. Além disso, de acordo com o documento de patente norte-americano US 5766439, de Aharon e Willian, o próprio processo de fermentação para produção de tais ácidos implica na alteração da acidez do meio e também na liberação de gás carbónico proveniente da atividade bacteriana. Como consequência, o processo pode se auto-extinguir caso não exista nenhum meio de ajustar o pH da fermentação em valores adequados.

Várias abordagens para contornar este problema têm sido relatadas. Por exemplo, Norddahl e colaboradores reivindicam no documento norte-americano US 2004/0033573 um método para produção de ácido lático em meio fermentativo liquido rico em açúcares através do uso de bactérias produtoras de ácido, resultando em sais de lactato, tipicamente lactato de sódio, amónio ou potássio. Durante o processo de fermentação, o pH do meio fermentativo é mantido entre 5 e 7 pela adição de quantidade apropriada de base. As bases adicionadas podem ser amónia, tipicamente gás de amónia, NaOH e KOH, ou mesmo uma mistura destas. Todas estas bases formam sais solúveis com o ácido lático. Neste ponto, os autores argumentam que o uso da amónia como base tem a vantagem de atuar como fonte de nitrogénio para os micro-organismos , além de ser mais barato que os outros tipos de base. Por outro lado, as bases NaOH ou KOH são mais fáceis de serem recuperadas em uma fase de purificação subsequente. Este processo apresenta a clara desvantagem da volatilidade da amónia, que pode permear através das membranas usadas para a separação do ácido lático e, além disso, toda adição de certo volume de solução básica ao fermentador implicará na necessidade de remoção deste mesmo volume em uma operação subsequente, levando a um consequente aumento de custo no processo como um todo.

O documento de patente norte-americano US 4,882,277 reivindica um processo no qual a glicose é continuamente fermentada a lactato e o ácido lático resultante é posteriormente extraído da solução por meio de eletrodiálise onde o pH dentro do fermentador é controlado pela remoção do ácido lático na mesma taxa em que é formado na medida que o conteúdo do fermentador é recirculado na unidade de eletrodiálise. A desvantagem deste processo refere-se ao fato de que as bactérias presentes no fermentador são absorvidas nas membranas trocadoras de íons presentes na unidade de eletrodiálise, causando o aumento da resistência elétrica na unidade e levando, consequentemente, a um aumento no consumo de energia do processo. Além disso, a morte celular deve ser levada em consideração de modo que a produtividade total do processo deve ser afetada pela diminuição da quantidade de células produtoras .

O documento de patente norte-americano US 2006/0094093 reivindica o processo de produção de ácido lático a baixos valores de pH pela utilização de uma bactéria homolática derivada de milho tolerante a ácido, a qual é capaz de produzir elevados níveis de ácido lático livre. As bactérias tolerantes a ácido são capazes de produzir, no mínimo, cerca de 25 g/L de ácido lático livre. Este tipo de bactéria geralmente pode também produzir cerca de 50 g/L de lactato no meio fermentativo em um pH médio de incubação de não mais de 4,2. A produtividade do processo descrito é tal que o processo é normalmente executado de maneira a produzir cerca de 1,0 a 3,0 g.L^_1.h^_1 em um meio cujo pH médio de incubação é menor que 4,0. Mesmo utilizando bactérias capazes de produzir ácido lático em valores de pH inferiores aos usuais, o processo em questão não elimina a necessidade de manutenção da faixa de pH pela adição de bases ou agentes tamponantes. Neste caso, os requerentes sugerem que o lactato na forma de sal possa retornar ao vaso de fermentação e atuar como tampão de pH da solução e prevenir a queda do pH do meio reacional a valores abaixo do desejado. Porém, neste processo, o refluxo de sal de lactato não descarta a adição de outros agentes neutralizantes, como carbonato de cálcio, hidróxido de sódio e/ou bicarbonato de sódio que, além de aumentar o custo, podem diminuir significativamente a produtividade global do processo. Além disso, o custo das bactérias é maior em relação ao Lactobacillus sp. , normalmente utilizado para produção fermentativa de ácido lático.

Desta forma, pode ser notado que, em todas as situações descritas acima, a possibilidade de elevadas concentrações de alguns sais como, por exemplo, cátions de sódio, podem causar inibição no processo fermentativo e o tipo ou quantidade de sais presentes pode prejudicar a eficiência da fermentação.

Van't Hul e Gibbons descrevem em seu artigo Neutralization/recovery of lactic acid from Lactococcus lactis: effects on biomass, lactic acid, and nisin production (World Journal of Microbiology & Biotechnology, Vol. 13, 1997) o processo de obtenção de ácido lático e outros produtos metabólitos em função da utilização de um controle de pH automatizado com adição de hidróxido de amónio. De acordo com os autores, a utilização do processo descrito com uso de solução 6 mol/L de NH₄OH para a neutralização do meio reacional levou a aumentos significativos na produção celular de nisina e ácido lático, porém não leva em consideração o aumento de volume promovido pela adição do agente neutralizante que, no final do processo, acarretará em um maior consumo de energia. ^• Deste modo, seria interessante se a técnica dispusesse de um processo de correção de acidez a volume constante em meios fermentativos baseado em um sistema de retirada de determinado volume do meio, filtragem deste volume, alcalinização e posterior adição deste volume de volta ao meio reacional de maneira a controlar o pH do meio fermentativo dentro das condições necessárias de operação e produção dos referidos ácidos.

Sumário da Invenção

De um modo amplo, a presente invenção trata de um sistema para correção de acidez a volume constante em meios fermentativos, constituído de pelo menos um fermentador (1) dotado de pelo menos um sensor para determinação em tempo real do pH do meio fermentativo (PI), um módulo de filtração (2), um vaso para adição de base (3), uma primeira bomba para bombear caldo fermentativo do fermentador para o dito módulo de filtração (BI), uma segunda bomba para bombear a fração de caldo fermentativo basifiçada de retorno ao fermentador (B2) e um trocador de calor (5), as proporções volumétricas de solução alcalina para correção de pH a serem adicionadas à fração retirada do fermentador sendo estabelecidas por um controlador conectado ao dito pelo menos um sensor (PI), à dita primeira bomba (BI), à dita segunda bomba (B2), ao dito trocador de calor (5) e ao aqui definido como dosador de base (4), de modo a possibilitar que a vazão de saída do fermentador (1), a quantidade de base adicionada à solução no dito vaso (3) de adição e a vazão de retorno da solução alcalina ao dito fermentador (1) sejam apropriadas e estejam de acordo com a necessidade de ajuste do pH do meio em um dado momento do processo de produção de ácido orgânico .

Já o processo de correção de acidez a volume constante em meios fermentativos efetuado com o auxilio do presente sistema é baseado em um procedimento de retirada de determinado volume do meio, filtragem deste volume, alcalinização e posterior adição deste volume de volta ao meio reacional de maneira a controlar o pH do meio fermentativo dentro das condições necessárias de operação e produção dos referidos ácidos.

Assim, a presente invenção provê um sistema para correção de acidez a volume constante em meios fermentativos, o sistema compreendendo pelo menos um fermentador dotado de pelo menos um sensor, um vaso para adição de base e um dosador de base, uma primeira bomba para bombear caldo fermentativo do fermentador para um módulo de filtração, uma segunda bomba para bombear a fração de caldo fermentativo basificada de retorno ao fermentador e um trocador de calor, as proporções volumétricas de solução alcalina para correção de pH a serem adicionadas à fração retirada do fermentador sendo estabelecidas por um controlador conectado ao dito pelo menos um sensor, à dita primeira bomba, à dita segunda bomba, ao dito trocador de calor e ao elemento dosador de base .

A invenção provê ainda um processo de correção de acidez a volume constante em meios fermentativos, o dito processo sendo otimizado por um sistema de refluxo do meio de cultura em condições apropriadas de pH de modo que quando o meio de cultura retorne ao fermentador ocorra um ajuste da acidez do meio reacional com maior produtividade, sem causar aumento no volume reacional. Uma vantagem do referido processo de correção de acidez a volume constante em meios fermentativos da presente invenção reside no fato de proporcionar uma economia significativa de energia no processo como um todo.

Adicionalmente, o processo da presente invenção proporciona uma redução do impacto ambiental pela economia de insumos e energia.

Breve Descrição das Figuras

A Figura 1 anexa é um fluxograma simplificado do processo da invenção para correção da acidez de meios fermentativos a volume constante.

A Figura 2 anexa é um fluxograma simplificado do layout de controle do processo da invenção.

A Figura 3 anexa é um fluxograma simplificado do processo da invenção adaptado para um conjunto de reatores de modo que o processo de alcalinização do permeado possa operar continuamente.

Descrição Detalhada da Invenção

A presente invenção baseia-se no fato de que a adição de substâncias alcalinas a meios fermentativos de produção de ácidos orgânicos causa um aumento significativo do volume do meio fermentativo, o que implica, necessariamente, em um aumento da quantidade de energia necessária para separar o ácido lático sintetizado de seu meio reacional. De acordo com a invenção, parte do meio fermentativo pode ser retirada do vaso de fermentação, filtrada para a retenção dos micro-organismos , adicionada de elemento alcalinizante e então retornada ao meio fermentativo em volume definido de maneira a ajustar o pH do meio de cultura em valores dentro dos limites operacionais ótimos. A maioria dos micro-organismos possui uma faixa ótima de valores de pH na qual o seu metabolismo é otimizado e, desta forma, o pH de um determinado meio fermentativo é uma variável que afeta intensamente a produtividade do processo .

Micro-organismos como Lactobacíllus sp. são convencionalmente utilizados como produtores de ácido lático e, em um processo de fermentação conduzido por estes micro-organismos, os valores de pH caem rapidamente com a produção de ácido lático a níveis que podem inibir o metabolismo celular ou mesmo causar a morte das células. Desta forma, é bem estabelecido na literatura que a adição de agentes alcalinos ao meio fermentativo é capaz de manter os valores de pH em níveis apropriados para que a produção de ácido lático seja máxima. Valores de pH do meio reacional recomendados para a obtenção de uma boa produtividade de ácido lático estão entre 5,0 e 7,0 (vide o documento de patente norte-americano US 5,510,526).

Além disso, pesquisas foram desenvolvidas no sentido de obter organismos capazes de manter elevada produtividade de ácido lático em valores de pH entre 3,0 e 4,8 (Publicação Internacional WO 99/19290; documento de patente norte-americano US 2006/0094093) .

A teoria do equilíbrio químico, quando aplicada aos ácidos fracos, como é o caso do ácido lático, além de outros obtidos em processos fermentativos, define que, em solução, o ácido lático se dissocia segundo a seguinte equação (equação 1) :

CH₃CH (OH) C0₂H ^ H⁺ + CH₃CH ( OH ) C0₂ ^"

(equação 1)

Segundo esta equação de equilíbrio químico, a produção de ácido lático pelos micro-organismos aumentará a quantidade de ácido dissociado e, consequentemente, causará a redução do pH do meio de cultura, uma vez que o pH de uma solução se relaciona com as concentrações de ácidos presentes no meio segundo a equação 2 a seguir:

(equação 2)

onde pKa é o logaritmo da constante de dissociação do ácido fraco, enquanto [R (OH) COO ] e [R(0H)C00H] são as concentrações molares do contra-ion e do ácido orgânico, respectivamente .

Desta forma, a adição de bases como KOH, NaOH, Ca (OH) ₂, NH₄OH, sem estar limitada a estas, causará um aumento no consumo de ions H⁺, devido à equação de dissociação representada pela equação 3 abaixo, e tem como consequência o aumento do pH da solução.

M(OH)_K =± M^x+ + x(OH)^~

(equação 3)

Assim, se a quantidade de base adicionada for igual à quantidade de ácido produzida, o pH da solução será mantido em um valor constante, podendo este ser ajustado, preferencialmente entre 4,0 e 7,0, de modo a maximizar a produção de ácido orgânico pelos micro-organismos.

Diversas composições de meios fermentativos para a cultura de diversos tipos de micro-organismos são propostas na literatura técnica e cientifica e já comercialmente disponibilizadas. Um dos meios disponíveis mais comuns utilizados é conhecido como MRS (de seus inventores de Man, Rogosa e Sharpe) , que em sua versão mais geral tem a seguinte composição (massa/volume) : - 1,0% de peptona;

- 0,8% de extrato de tecido animal (carne de boi em geral) ;

- 0,4% de extrato de levedura;

- 2,0% de glicose;

- 0,5% de acetato de sódio;

- 0,1% de polisorbato 80 (também conhecido como Tween

80) ;

- 0,2% de hidrogenossulfato de potássio;

- 0,2% de citrato de amónio;

- 0,02% de sulfato de magnésio;

- 0,005% de sulfato de manganês;

- pH ajustado em 6,2 a 24 ± 1° C .

A este respeito, vide a referência abaixo:

(http : //www . bd. com/ds/technicalCenter/inserts/Lactoba cilli MRS Agar & Broth.pdf, em 19/11/2009) .

Esta composição é recomendada para culturas de microorganismos tais como: Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus casei, Lactobacillus fermentum, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, dentre outros.

Modificações e adaptações do meio MRS também já estão disponíveis no mercado, visando abranger os tipos de micro^¬ organismos a serem cultivados.

O processo típico de fermentação se dá em um fermentador apropriado com temperatura controlada na qual os micro-organismos são mantidos, através do ajuste da composição do caldo, em condições ótimas para a produção de ácido orgânico durante períodos de 18 a 36 h.

A temperatura do processo é mantida entre 25°C e 42 °C. O fermentador é também munido de uma sonda medidora de pH para que o monitoramento da acidez do meio possa ser feito continuamente. Uma vez atingidos os valores de pH nos quais a produção de ácido lático decresça, um determinado volume de solução básica deve ser adicionado ao meio de modo a elevar os valores de pH aos níveis de trabalho.

Um aspecto da presente invenção é um sistema para correção de acidez a volume constante em meios fermentativos constituído de pelo menos um fermentador dotado de pelo menos um sensor para determinação em tempo real do pH do meio fermentativo, um módulo de filtração, um vaso para adição de base e um dosador de base, uma primeira bomba para bombear caldo fermentativo do fermentador para o dito módulo de filtração, uma segunda bomba para bombear a fração de caldo fermentativo basificada de retorno ao fermentador e um trocador de calor, as proporções volumétricas de solução alcalina para correção de pH a serem adicionadas à fração retirada do fermentador sendo estabelecidas por um controlador.

Um outro aspecto da invenção é o processo de correção da acidez de meios fermentativos que utiliza o sistema inventivo .

Na presente invenção, diferentemente dos processos usuais do estado da técnica, o fermentador (1) está conectado a um sistema de retirada, alcalinização e devolução de certo volume do meio, conforme apresentado na Figura 1. Neste esquema, uma quantidade não maior que 12% do volume total do meio fermentativo é retirada por meio do acionamento de uma bomba de fluxo (BI) , que é responsável por levar parte do caldo (corrente (A) ) a um módulo de filtração (2) contendo um elemento filtrante (não representado) .

A corrente (A) pode ter uma concentração idêntica ou próxima à do caldo fermentativo com valores de pH iguais ou menores que o ideal para o cultivo dos micro-organismos e temperatura próxima aos valores encontrados no interior do tanque de fermentação. Ao passar pelo módulo de filtração

(2), uma parte da corrente (A), referente aos sólidos com tamanhos na faixa de 0,5 a 5 pm, preferencialmente maiores do que 1 μπι, é retida no dito elemento filtrante.

A outra parte da corrente é permeada através do elemento filtrante dando origem à corrente (B) . A corrente

(B) contém todos os elementos do meio reacional presentes no fermentador (1) exceto os sólidos não permeados e com valores de pH entre 4,0 e 7,0 e temperatura entre 25 °C e 42°C.

Os sólidos retidos podem ser retornados ao meio reacional, dando origem à corrente (C) , de maneira a manter a concentração dos micro-organismos constante no meio fermentativo e, por sua vez, garantindo a maior produção possível de ácido orgânico.

A corrente (C) contém essencialmente células de Lactobacillus sp., restos de células, podendo também conter resíduos sólidos inorgânicos inerentes ao processo de fermentação e à composição do meio.

O módulo de filtração (2) deve ser dotado de agente filtrante com diâmetro de poros entre 0,5 e 5 μιη e mais preferencialmente de 1 μιη. Diversos tipos de elementos filtrantes podem ser utilizados no sistema de filtração tais como filtros bag (bolsa) , preferencialmente compostos de membranas microestruturadas com sistema de filtração tangencial, de modo a promover a retenção da maioria dos sólidos presentes no meio fermentativo e principalmente dos micro-organismos, possibilitando o eventual retorno dos mesmos ao meio de cultura sem causar grandes perdas ao processo fermentativo.

A partir do elemento filtrante presente no módulo de filtração (2), a corrente (B) é levada a um tanque de mistura (3), onde será adicionada, através de um elemento dosador (4), uma determinada quantidade de base de modo que o pH da solução permeada (glicose, extrato de levedura, sulfato de magnésio, sulfato de manganês, etc.) seja ajustado em valores de pH maiores do que 7, de modo que quando retornada ao fermentador (corrente (D) ) em quantidades adequadas, será capaz de produzir o decréscimo da acidez, ou seja, elevação do pH do caldo fermentativo, dentro dos valores requeridos para a boa produtividade do ácido lático ou outro ácido orgânico.

As bases adicionadas ao caldo permeado podem ser tanto orgânicas quanto inorgânicas, preferencialmente KOH, NaOH, Ca (OH) ₂ ou NH₄0H. A base em forma liquida pode ser adicionada manualmente ou, preferencialmente, através de equipamento dosador (4) posicionado na parte superior do dito tanque de mistura (3) .

Antes de retornar ao fermentador, a solução alcalina (corrente (D) ) com a mesma composição da corrente (B) acrescida de base adicionada no tanque de mistura (3) , com temperaturas entre 30°C e 60°C e valores de pH entre 6 e 9, preferencialmente maiores do que 7, pode ser transportada através de um trocador de calor (5) que será responsável por acondicionar a solução alcalina na temperatura de trabalho do processo de modo a não causar interferências no processo fermentativo.

Além disso, o calor retirado da solução através do fluido de refrigeração do trocador de calor (5) pode ser levado ao tanque de fermentação (1) de maneira a manter a temperatura do dito tanque (ou dos ditos tanques) de fermentação em valores adequados para a produção de ácidos orgânicos .

Todo o processo é controlado digitalmente, de forma integrada, de modo a possibilitar que a vazão de saida do fermentador (1), a quantidade de base adicionada à solução em (3) pelo elemento (4) e a vazão de retorno da solução alcalina ao reator (corrente (D) ) sejam apropriadas e estejam de acordo com a necessidade de ajuste do pH do meio em um dado momento do processo de produção de ácido orgânico .

A Figura 2 ilustra esquematicamente o layout do controle empregado no processo descrito, de maneira que as bombas (BI) e (B2) possam fornecer vazões suficientes para que o processo de fermentação aconteça dentro da faixa de valores de pH recomendada, ou empiricamente definida, para a máxima produção de ácido orgânico.

O sistema da invenção tal como ilustrado na Figura 2 é designado em geral pelo numeral (100).

0 elemento sensor (PI) é posicionado no interior do meio fermentativo do fermentador (1) de maneira a monitorar a variação do valor de pH em tempo real durante o processo, podendo também ser um arranjo ou conjunto de elementos sensores (não representado) que levem a uma maior precisão nas medidas. Os elementos sensores (PI) são sensores de pH disponíveis comercialmente. 0 elemento (PI) é conectado através da linha (Ll) ao elemento controlador (CT) .

O elemento controlador (CT) também é responsável por controlar: i) a vazão de solução de meio fermentativo, corrente (A), através de conexão com a bomba (BI) via (L2); ii) a vazão de solução básica através da linha (L3) ; iii) a vazão de solução alcalinizada de meio fermentativo, corrente (D), através de conexão com a bomba (B2) via (L4) e iv) a vazão do líquido refrigerante no trocador de calor (5) via (L5) , de modo a manter a temperatura dentro da faixa de trabalho do processo.

O elemento controlador (CT) é constituído de um equipamento disponível comercialmente bastante difundido no segmento de controle de processos industriais, o qual é dotado de um software dedicado (denominado sistema supervisório ) , de modo a oferecer uma interface de fácil operação, bem como um controle em tempo real do processo como um todo. Resumidamente, o CT recebe e interpreta todas as informações dos sensores instalados ao longo do processo e, através de instruções programadas em sua memória, executa ações específicas (controle de vazões de bombas, controle de temperatura, controle de pH, abertura e fechamento de válvulas) de acordo com as condições dos sensores em tempo real, permitindo um elevado nível de automação no controle das diversas etapas do processo em questão .

A Figura 3 representa o processo descrito acima adaptado para um conjunto de reatores de modo que o processo de alcalinização do permeado, representado pela corrente (B) , possa operar continuamente enquanto diferentes bateladas nos diferentes tanques de fermentação (tanques (1.1), (1.2), (1.3), (1.4)) são realizadas alternadamente .

O sistema da Figura 3 é designado em geral pelo numeral (200) .

A Figura 3 representa um arranjo de dois conjuntos de dois fermentadores em série. No entanto, deve ficar bem claro para os técnicos no assunto que outras modificações e variações nesses arranjos são possíveis, sem se desviar do escopo da invenção.

Nesta Figura, as correntes (Al), (A2), (A3) e (A4) são recebidas por uma válvula de controle apropriada, aqui denominada divisor de fluxo (DV1) . O dito equipamento divisor de fluxo é conectado ao elemento central de controle (CT) através de uma linha (L6) , de modo a controlar o fluxo de saída dos meios fermentativos contidos nos ditos fermentadores (1.1), (1.2), (1.3) e (1.4).

As correntes (Cl), (C2), (C3) e (C4) são formadas pelo equipamento divisor de fluxo (DV2) a partir da corrente (C) que pode essencialmente ser formada por células de Lactobacillus sp. ou restos de células, podendo também conter resíduos sólidos inorgânicos inerentes ao processo de fermentação e à composição dos referidos meios. 0 dito equipamento divisor de fluxo é também conectado ao elemento central de controle (CT) através de uma linha (L7), de modo a controlar o fluxo de entrada dos sólidos retidos (células de Lactobacillus sp. ou restos de células, resíduos sólidos inorgânicos) nos ditos fermentadores (1.1) , (1.2) , (1.3) e (1.4) .

A corrente (D), composta do caldo fermentativo basificado no tanque (3), é subdividida em (Dl), (D2), (D3) e (D4) por um divisor de fluxo (DV3), fornecendo assim a quantidade de caldo basificado adequada para cada fermentador (1.1), (1.2), (1.3) e (1.4) em um determinado tempo do processo. 0 dito equipamento divisor de fluxo (DV3) é também conectado ao elemento central de controle (CT) através de uma linha (L8), de modo a controlar o fluxo de entrada do caldo basificado nos ditos fermentadores (1.1), (1.2), (1.3) e (1.4).

As correntes provenientes dos referidos tanques, aqui designadas como correntes (Al), (A2), (A3) e (A ) , são compostas essencialmente pelo caldo fermentativo contido nos respectivos tanques com temperatura e valores de pH próximos aos valores ótimos de produção de ácido orgânico.

Assim como apresentado na Figura 2, todos os tanques de fermentação (1.1), (1.2), (1.3) e (1.4) são munidos de elementos sensores (Pl.l), (PI.2), (PI.3) e (PI.4) e todos são conectados ao elemento de controle (CT) através da linha (L9) , de modo a monitorar em tempo real o pH de cada meio reacional.

Em funcionamento, enquanto, por exemplo, a corrente (Al) que deixa o fermentador (1.1) é dirigida via (DV1) para o módulo de filtração (2) para ser submetida à separação gerando a corrente (C) de sólidos retidos a ser retornada ao fermentador (1.1) e a corrente (B) contendo ácido orgânico que terá o pH corrigido pela solução básica no vaso (3), os fermentadores (1.2), (1.3) e (1.4) podem estar inativos ou em um outro momento do processo que não exija correção por adição de solução alcalina.

A função de (DV1) é restrita ao controle das vazões de saída dos meios reacionais em operação em um determinado momento do processo.

Após filtração, separação e basificação, as correntes resultantes (Cl) e (Dl) são dirigidas para o fermentador (1.1) ·

Imediatamente após a corrente (Al) ser separada no módulo de filtração (2), a corrente (A2) pode ser dirigida para o dito módulo (2), sem necessidade de que todo o processo seja completado antes de iniciar uma nova batelada. Assim, o mesmo pode ser efetuado de modo continuo .

De modo análogo à corrente (Al), as correntes (C2), (C3) e (C4) e (D2), (D3) e (D4) resultantes da filtração, separação e alcalinização das correntes (A2), (A3) e (A ) são encaminhadas respectivamente para os fermentadores (1.2) , (1.3) e (1.4) .

Deste modo, o sistema descrito pode operar continuamente, 24 horas por dia, através da alternância dos fermentadores apresentados. Deve ficar bem claro para os técnicos no assunto que mais fermentadores podem ser adicionados ao processo sem se desviar do escopo da invenção, tal procedimento estando ao alcance de um técnico no assunto.

A presente invenção será ilustrada a seguir por Exemplos, que não devem ser considerados como limitativos da mesma.

Exemplo 1

Este é um Exemplo Comparativo.

Um caldo de fermentação típico tipo MRS composto por:

- 1,0% de peptona;

- 0,8% de extrato de tecido animal (carne de boi em geral) ;

- 0,4% de extrato de levedura;

- 2,0% de glicose;

- 0,5% de acetato de sódio;

- 0,1% de polisorbato 80 (também conhecido como Tween

80) ;

- 0,2% de hidrogenossulfato de potássio;

- 0,2% de citrato de amónio; - 0,02% de sulfato de magnésio; e

- 0,005% de sulfato de manganês;

conforme descrito acima nesta invenção, foi incubado com células de Lactobacillus sp. em um volume total de 1000 L sob agitação durante 18 horas a 39°C e pH inicial de 7,2. Para uma produtividade na faixa de 3,0 Kg/h foi necessária a adição de 120 L de solução aquosa de NaOH a 7,5N, para que o pH do meio se mantivesse em 7 , 2. O volume acrescido causou, portanto, um aumento de 12% no volume total do meio de cultura. Assim, foi preciso retirar do meio de cultura 120 L a mais do que o necessário em uma etapa posterior de separação do produto formado, a saber: ácidos orgânicos e sais destes ácidos orgânicos. Este aumento no volume gerou, consequentemente, um aumento de 12% no consumo de energia do processo que, para as condições acima, equivale a 75, 4 KW/h em uma planta de produção diária de 72 Kg de ácido orgânico. Desta forma, fica claro neste Exemplo que o consumo energético total do processo de fermentação é de aproximadamente 1,05 KW/h por quilograma de ácido produzido .

Exemplo 2

Este Exemplo é ilustrativo do processo da invenção.

Um caldo de fermentação tipo MRS, conforme apresentado no Exemplo 1 deste documento, composto de acordo com o descrito no Exemplo 1 e incubado com o mesmo tipo de células em um volume de 1000 L sob agitação durante 18 horas, a 39°C e pH inicial de 7,2 para que seja mantida a produção na faixa de 3,0 Kg/h, necessitou que uma quantidade equivalente a 120 L do volume reacional fosse retirada, filtrada e alcalinizada com 36 Kg de NaOH e, então, realimentada ao meio reacional, ocorrendo com um gasto de energia equivalente a 0,67 KW/h incluindo todas as etapas de transporte (bombas), filtragem, dosagem, monitoramento e controle do processo. De acordo com o presente Exemplo verifica-se que a quantidade global de energia economizada em uma planta para a produção de 72 Kg de ácido orgânico por dia será de aproximadamente 74,7 KW/h, levando a um consumo energético de 1,03 KW/h por quilograma de ácido produzido. Ou seja, com 11,8% de economia no consumo de energia em um subsequente processo de separação e purificação do meio de produção.

Exemplo 3

Este Exemplo ilustra a substancial economia de energia provida pelo processo da invenção quando aplicado a um sistema de vários reatores.

0 sistema de retirada, filtragem e alcalinização do caldo fermentativo foi conectado a um conjunto de 4 (quatro) reatores fermentativos (1.1, 1.2, 1.3 e 1.4) conforme apresentado na Figura 3 do presente relatório. Os reatores foram postos em operação com uma diferença de 6 horas entre o inicio de cada processo, de modo que o caldo retirado de um fermentador pudesse ser utilizado em outro fermentador, levando a uma diminuição proporcional do volume circulante no processo de alcalinização equivalente a 7,5% do volume total incubado nos quatro reatores, frente aos 12% utilizados no sistema com um único reator. Considerando uma produção total de 12,0 Kg/h, o gasto de energia total do processo foi o equivalente a 1,65 KW/h incluindo todas as etapas de transporte (bombas) , filtragem, dosagem, monitoramento e controle do processo. De acordo com o presente Exemplo verifica-se que a quantidade total de energia economizada em uma etapa subsequente de purificação devido à diminuição do volume em um processo para produção de 288 Kg de ácido orgânico por dia será de 113 KW/h, levando a uma taxa de gasto energético da ordem de 0,4 KW/h por quilograma de ácido produzido. Ou seja, com 37,5% de economia no consumo de energia do processo como um todo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de correção de acidez a volume constante de meios fermentativos para a produção de ácidos orgânicos caracterizado por compreender:

a) pelo menos um fermentador (1) dotado de um sensor

(Pl) para determinação em tempo real do pH do meio fermentativo;

b) um módulo de filtração (2);

c) uma primeira bomba (BI) para bombear caldo fermentativo, corrente (A), do dito fermentador (1) para o dito módulo de filtração (2);

d) um vaso (3) para adição de base dotado de um elemento dosador (4) de base;

e) uma segunda bomba (B2) para bombear a fração de caldo fermentativo basificada, corrente (D) , de retorno ao fermentador (1); e

f ) um trocador de calor (5) ,

em que as proporções volumétricas de solução alcalina para correção de pH a serem adicionadas à fração retirada do fermentador são estabelecidas por um controlador (CT) conectado ao dito pelo menos um sensor (Pl), a dita primeira bomba (BI), ao dito elemento (4) dosador de base, à dita segunda bomba (B2) e ao dito trocador de calor (5) via as linhas (LI), (L2), (L3), (L4) e (L5) , respectivamente.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o módulo de filtração (2) é dotado de elemento filtrante.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o diâmetro de poros do dito elemento filtrante está entre 0,5 e 5 μτη.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o diâmetro de poros do dito elemento filtrante é preferencialmente de 1 μιη.

5. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 2 a 4 , caracterizado pelo fato de que o elemento filtrante é do tipo filtro bolsa compreendendo membranas microestruturadas com sistema de filtração tangencial .

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma quantidade de até 12% do volume do meio fermentativo contido no fermentador (1) é retirada com o auxilio da bomba (BI) para ser alcalinizada .

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser operado de forma continua.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser utilizado na produção de ácidos orgânicos.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o ácido orgânico é ácido lático .

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um único sistema de filtração, alcalinização e ajuste de temperatura é utilizado em um conjunto de pelo menos dois fermentadores operando continuamente ou em batelada.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos dois conjuntos de fermentadores (1.1, 1.2, 1.3 e 1.4) em série operando continuamente, enquanto diferentes bateladas nos diferentes fermentadores são realizadas alternadamente.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de receber as correntes Al, A2, A3 e A4 através de um divisor de fluxo (DV1) conectado ao elemento central de controle (CT) através de uma linha (L6) de modo a controlar os fluxos de saida dos meios fermentativos contidos nos fermentadores (1.1), (1.2), (1.3) e (1.4) .

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de subdividir a corrente (C) através de um divisor de fluxo (DV2) conectado ao elemento central de controle (CT) através de uma linha (L7) de modo a controlar os fluxos de entrada dos resíduos sólidos nos fermentadores (1.1), (1.2), (1.3) e (1.4).

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de subdividir a corrente (D) através de um divisor de fluxo (DV3) conectado ao elemento central de controle (CT) através de uma linha (L8) de modo a controlar o fluxo de entrada de caldo basificado nos fermentadores (1.1), (1.2), (1.3) e (1.4) para fornecer a quantidade adequada do referido caldo para cada fermentador (1.1), (1.2), (1.3) e (1.4) em um determinado tempo do processo .

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que os fermentadores (1.1), (1.2), (1.3) e (1.4) são munidos de elementos sensores (Pl.l), (PI.2), (PI.3) e (PI.4) conectados ao dito elemento de controle (CT) através de uma linha (L9) de modo a monitorar em tempo real o pH do meio reacional de cada um dos ditos fermentadores.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de funcionar de modo que enquanto a corrente (Al) que deixa o fermentador (1.1) é dirigida via (DV1) para o módulo de filtração (2) para ser submetida à separação gerando a corrente (C) de meio fermentativo a ser retornada ao fermentador (1.1) e a corrente (B) contendo ácido orgânico que terá o pH corrigido pela solução básica no vaso (3), os fermentadores (1.2), (1.3) e (1.4) estão inativos ou em um outro momento do processo que não exija correção por adição de solução alcalina.

17. Processo de correção de acidez a volume constante em meios fermentativos a ser efetuado com o auxilio do sistema conforme definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a 16 caracterizado por compreender as etapas de:

a) determinar o pH do meio fermentativo com o auxilio de um sensor (PI) instalado no pelo menos um fermentador (1);

b) dirigir, com o auxilio de uma bomba (BI) , via corrente (A), até 12% do volume do dito fermentador (1) em direção a um módulo de filtração (2) para filtrar a dita corrente (A) , obtendo uma corrente de filtrado (B) e uma corrente (C) de sólidos retidos;

c) recircular os sólidos retidos no dito elemento filtrante via corrente (C) para o dito pelo menos um fermentador (1) de modo a manter a concentração dos microorganismos constante no meio fermentativo enquanto a corrente de filtrado (B) é dirigida para um vaso (3) dotado de um elemento (4) dosador de base para corrigir o pH da fração de meio fermentativo retirada do dito fermentador (1), obtendo uma corrente (D) de meio fermentativo com pH corrigido; e

d) dirigir, com o auxilio de uma bomba (B2), a dita corrente (D) de meio fermentativo com pH corrigido para um trocador de calor (5) e deste para o pelo menos um fermentador (1), reiniciando o ciclo,

em que o controlador (CT) possibilita que a vazão de saída do fermentador (1), a quantidade de base adicionada à solução no dito vaso de adição (3) e a vazão de retorno da solução alcalina, corrente (D), ao dito fermentador (1) sejam apropriadas e estejam de acordo com a necessidade de ajuste do pH do meio em um dado momento do processo de produção de ácido orgânico.

18. Processo, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de utilizar KOH, NaOH, Ca(OH)₂, NH₄OH no vaso (3) para corrigir o pH do caldo fermentativo.

19. Processo, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de utilizar hidróxido de sódio no vaso (3) de adição de base.

20. Processo, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de ser utilizado na produção de ácidos orgânicos.

21. Processo, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que o ácido orgânico é ácido lático .