BRPI0718729A2

BRPI0718729A2 - "aparelho de fermentação e processo"

Info

Publication number: BRPI0718729A2
Application number: BRPI0718729-7A
Authority: BR
Inventors: Timothy C Frank; Jeff A Ferrio; Paul E Swanson; Juergen Lueske
Original assignee: Dow Global Technologies Inc
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2013-12-03
Also published as: US20100099155A1; WO2008076749A9; CA2671879A1; WO2008076749A1; CN101563138A; EP2101892A1

Description

I "APARELHO DE FERMENTAÇÃO E PROCESSO".

Histórico da invenção Campo da invenção

A invenção refere-se a aparelhos e processos para produzir compostos orgânicos voláteis (VOCs) por fermentação de um caldo de fermentação e remover os VOCs do caldo de fermentação.

Descrição da técnica correlata

0 butanol é uma importante substância química industrial útil, por exemplo, como um combustível, um aditivo de combustível, ou como um precursor ou intermediário na fabricação de outras substâncias químicas úteis.

0 custo de produção do butanol via tecnologia de hidroformilação aumentou significativamente nos últimos 15 anos devido ao alto custo do estoque de abastecimento de propileno. A produção de butanol via fermentação representa uma tecnologia de processo alternativa que utiliza um estoque de abastecimento de custo menor, oferecendo o potencial para diminuir o custo de 20 fabricação.

Um aspecto importante de processos de fermentação na fabricação de butanol ou de outros solventes ou compostos orgânicos voláteis é a purificação dos compostos. Um importante aspecto adicional é o controle e a remoção dos 25 solventes ou compostos voláteis do reator de fermentação, que se não forem removidos, envenenam a cultura de fermentação ou reduzem a capacidade de cultura para produzir o produto desejado, um fenômeno conhecido como inibição microbiana. Para o butanol, são conhecidos 30 vários sistemas de remoção, tais como per-evaporação, perextração, osmose reversa, extrações líquido-líquido, extração direta de gás do reator ou recipiente de fermentação. Entretanto, estes sistemas de remoção ou não removem suficientemente os compostos orgânicos voláteis 35 ou não são suficientemente fortes para serem operados produtivamente na presença de sólidos de biomassa (por exemplo, células de um organismo) ou em condições de temperatura e pressão que sejam requeridas ou desejadas para usar em processos de fermentação em escala comercial.

Um processo de fermentação pode empregar uma membrana de 5 ultrafiltração para controlar (tipicamente aumentar) a concentração de células de um organismo dentro de um recipiente de fermentação, tal como descrito por Ferras, Minier, e Goma ["Acetotonobutylic Fermentation: Improvement of Performances by Coupling Continuous 10 Fermentation and Ultra filtration", Biotechnology and Bioengineering, vol . 28, pp. 523-533 (1986) ] . Usa-se a membrana de ultrafiltração para remover liquido de Iodos ou suspensões celulares tais como aqueles presentes em bacias de aeração de biotratamento, biorreatores, ou 15 recipientes de fermentação em plantas de tratamento de águas servidas. Ferras et al., supra, mostraram, entretanto, que membranas de ultrafiltração sujam rapidamente quando usadas para concentrar culturas de Clostridium acetobutylicum (ATCC 824) para atingir 20 concentrações de cerca de 100 grama/litro (g/L) a 125 g/L de caldo de fermentação. Embora se possa reduzir a taxa de incrustação injetando bolhas de CO2 ou de outro gás próximo da superfície externa da membrana (do lado do recipiente de fermentação) para limpar o exterior da 25 membrana, ou injetando uma corrente de líquido contra a superfície da membrana tal como num módulo de membrana de fluxo cruzado, a taxa de incrustação permanece, tipicamente, um problema significativo em elevadas concentrações de células no caldo de fermentação. São 30 necessários usos mais eficazes de unidades de membrana de ultrafiltração em aparelhos e processos de fermentação. Entretanto, são necessárias técnicas, mais eficazes em custo e mais simples, para remoção e/ou purificação de solvente que aquelas já conhecidas.

Breve sumário da invenção

Esta invenção provê aparelhos e processos de fermentação e extração que produzem, de modo eficaz e eficientemente custo, por fermentação um ou mais VOCs (por exemplo, 1- butanol) num caldo de fermentação (caldo) num recipiente de fermentação de batelada, semibatelada ou continuo e extraiam o um ou mais VOCs do caldo de fermentação.

Uma primeira incorporação da presente invenção é um aparelho de fermentação compreendendo uma unidade de fermentação e uma unidade de extração lateral a vácuo (VSS) ; a unidade de fermentação compreende um recipiente de fermentação, o recipiente de fermentação tem uma 10 superfície externa e uma superfície interna, as superfícies de recipiente de fermentação estão espaçadas, e geralmente paralelas, uma em relação à outra a fim de definir um espaço volumétrico fechado, o recipiente de fermentação define lá dentro pelo menos duas aberturas, 15 uma primeira abertura de fluido e uma segunda abertura de fluido, as pelo menos duas aberturas estão em comunicação fluida com o espaço volumétrico fechado; a unidade de VSS compreende um recipiente de extração, o recipiente de extração tem uma superfície externa e uma superfície 20 interna, as superfícies de recipiente de extração estão espaçadas, e geralmente paralelas, uma em relação à outra a fim de definir um espaço volumétrico fechado; o recipiente de extração tem disposto lá dentro dois ou mais compartimentos de extração lado-a-lado, cada 25 compartimento de extração está separado de um compartimento de extração adjacente por um membro de divisão vertical; pelo menos uma porção de fundo de cada membro de divisão vertical ou define lá dentro uma abertura de passagem de líquido ou está espaçada de uma 30 porção de fundo do recipiente de extração a fim de definir um conduíte de passagem de líquido entre a porção de fundo do membro de divisão e a porção de fundo do recipiente de extração, ou uma combinação dos mesmos; pelo menos uma porção de topo de cada membro de divisão 35 vertical ou define lá dentro uma abertura de passagem de vapor ou está espaçada de uma porção de topo do recipiente de extração a fim de definir um conduíte de passagem de vapor entre a porção de topo do membro de divisão e a porção de topo do recipiente de extração, ou uma combinação dos mesmos; os compartimentos de extração estão em comunicação fluida seqüencial um com o outro, os 5 compartimentos de extração adjacentes estão em comunicação fluida entre si via um conduite de passagem de liquido, uma abertura de passagem de liquido, ou uma combinação dos mesmos, e via um conduite de passagem de vapor, uma abertura de passagem de vapor, ou uma 10 combinação dos mesmos; o recipiente de extração tem definido lá dentro pelo menos quatro aberturas, uma terceira abertura de fluido, uma abertura de gás, uma abertura de vapor, e uma primeira abertura de agitação, cada uma das pelo menos quatro aberturas está em 15 comunicação fluida com o espaço volumétrico fechado do recipiente de extração; a primeira abertura de fluido do recipiente de fermentação está conectada operativamente à terceira abertura de fluido do recipiente de extração para estabelecer comunicação fluida entre o recipiente de 20 fermentação e o recipiente de extração. As aberturas de gás e vapor no recipiente de extração ocorrem, preferivelmente, em superfícies de uma porção superior do recipiente de extração. A primeira abertura de fluido no recipiente de fermentação ocorre, preferivelmente, nas 25 superfícies de uma porção lateral ou de porção inferior do recipiente de fermentação; e a terceira abertura de fluido do recipiente de extração ocorre, preferivelmente nas superfícies de uma porção lateral ou de porção superior do recipiente de extração.

Uma segunda incorporação da presente invenção é um processo compreendendo as etapas de: dispor um caldo de fermentação no espaço volumétrico fechado de um recipiente de fermentação de um aparelho conforme definido pela primeira incorporação, o caldo 35 compreendendo água, uma pluralidade de células de um organismo, e um suprimento de nutrientes; permitir que o suprimento de nutrientes seja fermentado pelo organismo para produzir pelo menos um composto orgânico volátil (VOC) ; e extrair pelo menos um VOC do caldo de fermentação. Preferivelmente, cada um do pelo menos um VOC tem um peso molecular menor que 50 g/mol (grama por mol) .

Descrevem-se incorporações adicionais nos desenhos de acompanhamento e no restante do relatório.

Breve descrição dos desenhos

A Figura 1 mostra uma ilustração de um exemplo de uma unidade de VSS de agitação, a unidade de VSS de agitação inclui propulsores de misturação de estilo aeração para contatar gás-líquido;

A Figura 2 mostra uma ilustração de um exemplo de uma unidade de VSS de circulação apropriada para uso no aparelho e processo da invenção em lugar da unidade de VSS de agitação da Figura 1;

A Figura 3 mostra um fluxograma de Aspen do Exemplo 1 que se usa na simulação de uma fermentação de ABE utilizando a unidade de fermentação e a unidade de VSS de agitação do aparelho e processo da invenção; e

A Figura 4 mostra graficamente, do Exemplo 1, ajuste de dados calculados de equilíbrio líquido-vapor (VLE) e de equilíbrio líquido-líquido (LLE) de NRTL e UNIQUAC com dados de literatura de VLE e LLE para o sistema quaternário de butanol+acetona+água+etanol a 25°C. Descrição detalhada da invenção

A presente invenção provê aparelhos e processos melhorados para extrair e/ou purificar produtos orgânicos provenientes de reações de fermentação. Embora a invenção seja descrita com referência a um processo de fermentação de ABE, ela também se aplica em outros processos de fermentação, incluindo processos de fermentação para produzir isopropanol e etanol e outros VOCs aqui descritos. Em qualquer momento num aparelho ou processa da invenção para produzir um ou mais VOCs, o um ou mais VOCs, estando secos ou úmidos, e substancialmente puros ou uma mistura de dois ou mais VOCs, podem ser enviados para uma corrente de fabricação separada como um solvente, pode ser embalada para armazenagem ou venda comercial, ou pode ainda ser processada tal como aqui descrito. 0 processamento adicional inclui secar (por 5 exemplo, numa unidade de adsorção com modulação de pressão (PSA)) um VOC úmido ou uma mistura úmida de dois ou mais VOCs para produzir um VOC substancialmente seco ou uma mistura substancialmente seca de dois ou mais VOCs, que são úteis como solventes ou como estoque de 10 abastecimento, por exemplo, na produção de um derivado dos mesmos. Adicionalmente ainda, a mistura substancialmente seca de dois ou mais VOCs pode ser purificada (por exemplo, numa unidade de coluna de destilação de parede divisória (DWC)) separando os dois 15 ou mais VOCs uns dos outros para produzir separadamente dois ou mais VOCs substancialmente puros.

Além de uma unidade de fermentação 200 (não mostrada) e de uma unidade de VSS (por exemplo, 10 na Figura 1 ou 100 na Figura 2), o aparelho e processo da presente invenção 20 pode compreender ainda um ou mais componentes adicionais tais como, por exemplo, uma membrana de ultrafiltração 822 (não mostrada), uma unidade de membrana 800 (não mostrada), uma coluna de função dupla 300 (não mostrada), uma unidade de PSA 400 (não mostrada) , uma unidade de DWC 25 500 (não mostrada), ou um extrator de liquido-liquido 700 (não mostrado) . Descrevem-se abaixo mais componentes adicionais.

Uma unidade de VSS compreende uma unidade de VSS de agitação (por exemplo, 10 da Figura 1) ou uma unidade de 30 VSS de circulação (por exemplo, 100 da Figura 2) . Aqui se descreve um exemplo de uma unidade de VSS de agitação 10 mostrada na Figura I. Na Figura 1, a unidade de VSS de agitação 10 compreende, entre outros componentes, um recipiente de extração 78 tendo uma superfície interna 62 35 e definindo duas aberturas de fluido 33 e 34, três aberturas de agitação 35, 36 e 37, uma abertura de gás 45, e uma abertura de vapor 46 (todas não mostradas) . Um compartimento de extração próximo 81, um compartimento de extração central 82, e um compartimento de extração distante 83 estão dispostos lado-a-lado dentro do recipiente de extração 78. Compartimentos de extração adjacentes (por exemplo, 81 e 82; e 82 e 83) estão espaçados entre si por membros divisórios verticais 76 (perfil I) dentro do recipiente de extração 78, cada membro divisório 7 6 tendo superfícies externas 61. Podem ser considerados outros perfis para os membros divisórios verticais, os outros perfis sendo, por exemplo, perfil L. Porções de fundo 51 (não indicadas) e porções de topo 52 (não indicadas) de cada membro divisório vertical estão espaçadas das porções de fundo 53 (não indicadas) e das porções de tipo 54 (não indicadas) do recipiente de extração 78 a fim de definir dois conduítes de passagem de líquido 94 e dois conduítes de passagem de vapor 91, respectivamente. Os compartimentos de extração 81 a 83 estão em comunicação fluida seqüencial via conduítes de passagem de líquido 94 e conduítes de passagem de vapor 91.

Dois membros divisórios verticais 7 6 estão em comunicação fluida com o interior 57 (não indicado) do recipiente de extração 78. Diferentes destes, primeiro e segundo impulsores 28 e 27, respectivamente, estão em comunicação 25 fluida com o interior 57 (não indicado) do recipiente de extração 78 e com diferentes compartimentos de extração (81, 82, ou 83).

Determinados componentes mostrados nas proximidades do recipiente de extração 78 são três motores de agitação 25, três hastes de agitação 29, três primeiros impulsores

28, e três segundos impulsores 27. O recipiente de extração 78, motores de agitação 25, hastes de agitação

29, três primeiros impulsores 28, três segundos impulsores 27, e membros divisórios verticais 76

compreendem um exemplo de uma unidade de VSS de agitação. Como ilustração, mostra-se o recipiente de extração 78 com o caldo de fermentação disposto lá dentro , mas o caldo de fermentação não faz parte da unidade de VSS 10. As três hastes de agitação 29 estão em contato operativo com o recipiente de extração 78 diferente daquele com as três aberturas de agitação 35, 36, 37 das mesmas (não 5 indicadas) . As três hastes de agitação 29 se entendem entre e estão em conexão operativa com diferentes daqueles três motores de agitação 25 e primeiro e segundo impulsores 28 e 27, respectivamente, e estão em comunicação fluida com um compartimento de extração 10 diferente (por exemplo, 81, 82, ou 83) do recipiente de extração 78.

Referindo novamente à Figura 1, o recipiente de extração 78 está em conexão operativa, e em comunicação fluida, com conduítes de fluido 31 e 31 nas duas aberturas de 15 fluido (não indicadas); em conexão operativa, e em comunicação fluida, com o conduíte de fluido 42 na abertura de vapor 46 (não mostrada); e em conexão operativa, e em comunicação fluida, com o conduíte de fluido 41 na abertura de gás 45 (não indicada) , as 20 aberturas definidas no recipiente de extração 78.

Durante operação da unidade de VSS 10, o recipiente de extração 78 pode receber uma corrente de caldo de fermentação ou um derivado líquido clarificado derivado do mesmo, de um recipiente de fermentação (por exemplo, 25 um recipiente-padrão de fermentação 211 (não mostrado) ou um recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não mostrado)) ou de recipiente de membrana 811 (não mostrado) via conduíte de fluido 31 e através da abertura de fluido 33 (não indicada) . O recipiente de extração 78 30 pode receber uma injeção de um gás de extração proveniente de uma fonte de gás de extração 11 (não mostrada) via conduíte de fluido 41 e a abertura de gás 45 (não indicada) . O recipiente de extração 78 pode enviar caldo de fermentação, ou um líquido clarificado 35 derivado do mesmo, através da abertura de fluido 34 e do conduíte de fluido 32, de volta para o recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222, não mostrados) ou para descarte. O recipiente de extração 78 pode liberar VOCs úmidos extraídos através da abertura de vapor 4 6 (não indicada) via conduíte de fluido 42 para um componente adicional tais como, por exemplo, uma coluna 5 de função dupla 300 (não mostrada), um insuflador 350 (não mostrado) , uma primeira bomba de vácuo/compressor 370 (não mostrado), um condensador de vapor/líquido 600 (não mostrado), ou uma unidade de PSA 400 (não mostrada) . Durante a operação também, motores de agitação 25 são 10 acionados e fazem com que as hastes de agitação 29 e o primeiro e segundo impulsores 28 e 27, respectivamente, girem, onde o primeiro impulsor 28 agita o caldo de fermentação para produzir respingos de caldo de fermentação (mostrados por meio de linhas parabólicas 15 entre o primeiro impulsor 28 e o recipiente de extração 78) . Os respingos atingem superfície externa 61 de membro divisório vertical 76 e superfície interna 62 do recipiente de extração 78.

Consideram-se aqui outros tipos de unidades de VSS que não sejam unidades de VSS de agitação e incluem unidades de VSS de circulação (por exemplo, 100 da Figura 2) . A Figura 2, mostra um exemplo de unidade de VSS de circulação 100.

Referindo-se à Figura 2, a unidade de VSS de circulação compreende, entre outros componentes, o recipiente de extração 178, tendo disposto lá dentro cinco compartimentos de extração 181, 182, 183, 184, 185. Quatro membros divisórios verticais 168 estão espaçados uns dos outros dentro do recipiente de extração 178. O recipiente de extração 178 define uma abertura de fluido 132, dez aberturas de agitação 135 a 139 e 150 a 154 (não indicadas), uma abertura de gás 145 (não indicada), e uma abertura de vapor 141. Determinados componentes mostrados próximos ao recipiente de extração são: válvula 169, cinco bombas de líquido 165, cinco conduítes de fluido 164, cinco conduítes de fluido 166, cinco conduítes de fluido 164, cinco bocais 162, quatro placas de respingos 161 (opcionais), e quatro membros divisórios verticais 17 6 (em forma de discos) compreendem um exemplo de uma unidade de VSS de circulação 100. Como ilustração, mostra-se o recipiente de extração 178 com caldo de 5 fermentação disposto lá dentro, mas o caldo de fermentação não faz parte da unidade de VSS de circulação 100 .

Referindo-se novamente à Figura 2, o recipiente de extração 178 está em cinco conexões operativas 10 seqüenciais e separadas, em diferentes daquelas das dez aberturas de agitação 135 a 139 e 150 a 154 (não indicadas), e está em cinco comunicações de fluido seqüenciais e separadas com conduite de fluido 164, bomba de líquido 166, conduíte de fluido 166, conduíte de 15 fluido 163, e bocal 162.

Porções de fundo 172 de quatro membros divisórios verticais 176 estão espaçadas de porções de baixo 174 do recipiente de extração 178 a fim de definir conduítes de passagem de líquido 194 e porções de topo 173 de membros divisórios verticais 176 estão espaçadas de porções de topo 175 do recipiente de extração 178 a fim de definir conduítes de passagem de vapor 191. Os quatro membros divisórios 176 também estão espaçados uns dos outros e, juntamente com o recipiente de extração 178, definem cinco compartimentos de extração 181 a 185, incluindo compartimento de extração 181 próximo, seqüencialmente da esquerda para a direita de três compartimentos de extração intermediários 182, 183, e 184, respectivamente, e um compartimento de extração 185 distante. Três dos quatro membros divisórios verticais 176 estão em comunicação fluida com o interior 156 (não indicado) do recipiente de extração 178. Os compartimentos de extração 181 a 185 estão comunicação fluida seqüencial, uns com os outros, via conduítes de passagem de líquido 194 e de conduítes de passagem de vapor 191.

Referindo-se novamente à Figura 2, o recipiente de extração 178 está em conexão operativa e em comunicação fluida com conduite de fluido 131 na abertura de fluido 132 e com o conduite 142 na abertura de vapor 141. 0 recipiente de extração 178 também está em conexão operativa e em comunicação fluida com um conduíte de 5 fluido 133 (não mostrado) na abertura de gás 145 (não mostrada) , as aberturas sendo definidas no recipiente de extração 17 8.

Durante operação da unidade de VSS 100, o recipiente de extração 178 pode receber uma corrente de caldo de fermentação, ou um líquido clarificado derivado do mesmo, de um recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não mostrado) ou um recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não mostrado)), ou de um recipiente de membrana 811 (não mostrado) via conduíte de fluido 131 e através de abertura de fluido 132. O recipiente de extração 178 pode receber uma injeção de um gás de extração de uma fonte de gás de extração 111 (não mostrada) via um conduíte de fluido 133 (não mostrado) e através da abertura de gás 145 (não mostrada) . 0 recipiente de extração 178 pode enviar caldo de fermentação, ou um líquido clarificado derivado do mesmo, através de uma outra abertura de fluido 134 (não mostrada) e de conduíte de fluido 171 (não mostrado) de volta para o recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222) ou para descarte. O recipiente de extração 178 pode liberar VOCs úmidos extraídos através da abertura de vapor 141 via conduíte de fluido 142 para um componente adicional tais como, por exemplo, os componentes adicionais acima mencionados na descrição da Figura 1.

A unidade de VSS de circulação 100 compreende alças de circulaçãO de líquido bombeado (164, 165, 166, 163, e 162) para contato gás-líquido. Durante a operação, as bombas de líquido 165 atuam e fazem com que o caldo de 35 fermentação circule seqüencialmente através dos conduítes de fluido 164, bombas de líquido 165, conduítes de fluido 166, e conduítes de fluido 163, e saiam através de bocais 162 para fora do recipiente de extração 178. Borrifos (não mostrados) de caldo de fermentação atingem placas de respingo 161 e membros divisórios verticais 176 e superfícies internas 155 (não indicadas) do recipiente de 5 extração 178. Durante tal operação de bombeamento, um nível de caldo de fermentação permanece, preferivelmente, aproximadamente o mesmo.

Como será descrito detalhadamente no Exemplo 1 abaixo, e brevemente aqui, a Figura 3 mostra esquematicamente, para uma incorporação de um aparelho e processo da invenção, um fluxograma de Aspen ilustrando elementos convencionais compreendendo, entre outras coisas, uma unidade de fermentação padrão (FERMENTAÇÃO), uma unidade de VSS de agitação (EXTRATOR), válvula (0), bomba de líquido (P- 1), e condensador de vapor/líquido (COND) . A unidade de fermentação padrão (FERMENTAÇÃO) está em comunicação fluida seqüencial com uma unidade de VSS de agitação (EXTRATOR) via linha de SAÍDA DE CALDO, válvula (0), bomba de líquido (P-I) , e retorna para a unidade de fermentação padrão (FERMENTAÇÃO) . A unidade de VSS de agitação (EXTRATOR) está em comunicação fluida com o condensador de vapor/líquido (COND). A unidade de fermentação padrão (FERMENTAÇÃO) também está em comunicação fluida com um suprimento de nutrientes (SUPRIMENTO), uma fonte de água fresca (FRSHH20), e uma ventilação de gás de fermentação (FGAS). Vide Exemplo 1 para resultados detalhados do modelo de Aspen.

Como será descrito detalhadamente no Exemplo 1 abaixo, e brevemente aqui, a Figura 4 mostra graficamente exemplos 30 de um conjunto de dados de modelo de coeficiente de atividade de dois líquidos não aleatório (NRTL) e dados de um modelo de equilíbrio de fase (UNIQUAC) de coeficiente de atividade UNIQUAC para dados de literatura de conjunto Dortmund Databank [2121] estão mostrados na 35 Figura 4. Referindo-se à Figura 4, dados experimentais (isto é, dados de literatura de conjunto Dortmund Databank [2121]) para um sistema quaternário compreendendo acetona, etanol, butanol, e água são plotados usando símbolo de losango cheio, dados de LLE experimentais (dados de literatura de conjunto Dortmund Databank [2121]) para um sistema quaternário 5 compreendendo acetona, etanol, butanol, e água são plotados usando símbolo de losango, dados de UNIQUAC calculados são plotados com uma linha contínua, dados de NRTL calculados são plotados com uma linha pontilhada, e são desenhadas linhas tracejadas entre dados plotados.

Uma terceira incorporação da invenção é um aparelho para preparar compostos orgânicos compreendendo: uma instalação de fermentação compreendendo um recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não mostrado) ou um recipiente de fermentação 15 fervida de novo 222 (não mostrado)) e um decantador para receber componentes aquosos e orgânicos do recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222); um componente adicional selecionado de uma unidade de PSA 400, uma coluna de dupla função 300, um extrator lateral a vácuo 20 (por exemplo, 10 na Figura 1 e 100 na Figura 2) , um DWC 500, e combinações dos mesmos. Particularmente, o aparelho compreende: uma unidade de fermentação 200, um decantador 650, e um componente adicional selecionado do grupo consistindo de uma unidade de PSA 400, uma coluna 25 de dupla função 300, uma unidade de VSS (por exemplo, 10 na Figura 1 e 100 na Figura 2) , um DWC 500, e uma combinação de dois ou mais dos ditos componentes adicionais, a unidade de fermentação 200 compreendendo um recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222), o 30 recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222) estando em conexão operativa seqüencial (em entradas e saídas) e em comunicação fluida com a unidade de VSS (por exemplo, 10 na Figura 1 e 100 na Figura 2) e com o decantador 650; ou com decantador 650 e com a unidade de 35 PSA 400 ou unidade de DWC 500. De acordo com a invenção, pelo menos um dos componentes adicionais supramencionados se incorpora no aparelho de fermentação. Em algumas incorporações, podem ser incorporados dois ou mais dos componentes adicionais.

Os artigos "um" e "uma" referem-se ao singular e ao plural do termo que for modificado pelos mesmos. Numa relação, o termo "ou" refere-se aos membros da mesma quer individualmente ou em qualquer combinação.

0 termo "compreendendo" que é sinônimo dos termos "incluindo", "contendo", "tendo", "grupo de", e "caracterizado por" é inclusivo ou tem possibilidades de ampliação. Estes termos não excluem elementos, materiais, ingredientes ou etapas de processo adicionais, incluindo aqueles não-mencionados, mesmo se os elementos, materiais, ingredientes ou etapas de processo adicionais estiverem em quantidades majoritárias. Quando se usar o termo "compreendendo" como uma transição de um preâmbulo de reivindicação para o corpo de reivindicação (isto é, como um termo de transição), toda a reivindicação será possível de ampliação (apesar de uma etapa ou elemento específico dentro da reivindicação poder estar limitado por uma expressão tal como "consistindo de" ou "consistindo essencialmente de").

As expressões "consistindo de" ou "grupo consistindo de" são termos fechados. Estas expressões excluem qualquer elemento, etapa, ou ingrediente não especificado. Quando 25 se usa a expressão "consistindo de" como uma expressão de transição numa reivindicação, a expressão fecha a reivindicação para a inclusão de materiais, elementos, ou etapas que não são especificamente mencionadas na reivindicação exceto para impurezas comumente associadas 30 com os mesmos e materiais, elementos ou etapas que não se relacionem com a invenção reivindicada. Quando se usa a expressão "consistindo de" numa oração do corpo da reivindicação em vez de imediatamente após o preâmbulo, ela limita apenas o elemento, etapa, ou material 35 apresentado na oração e outros elementos, materiais, ou etapas fora da oração não são excluídas da reivindicação. A presente invenção inclui também incorporações escritas modificando as incorporações "compreendendo" descritas aqui em outros lugares substituindo o termo de transição "compreendendo" pela expressão de transição "consistindo de". Quando usada, a expressão de transição "consistindo 5 de" exclui um ou mais componentes adicionais selecionados do grupo consistindo de: uma unidade de PSA 400 (não mostrada) , meios para induzir separação de fase (por exemplo, extrator de liquido-liquido 700, não mostrado), e meios para separar água de um ou mais VOCs (por 10 exemplo, unidade de DWC 500, unidade de destilação azeotrópica, e unidade de adsorção, todos não mostrados), mas não exclui um ou mais componentes adicionais suplementares selecionados do grupo consistindo de: sopradores 350 (não mostrados), bombas de

vácuo/compressores 370 e 380 (não mostrados), decantadores 650 (não mostrados), condensadores de vapor/líquido 600 (não mostrados), e separadores de gás/liquido 660 (não mostrados).

A expressão "consistindo essencialmente de" pode ser usada num preâmbulo de reivindicação para limitar a abrangência da reivindicação aos materiais, elementos ou etapas especificadas e aqueles que não afetam materialmente a característica ou características básicas e novas da invenção reivindicada. Referindo-se a preâmbulos, uma reivindicação "consistindo essencialmente de" ocupa uma zona intermediária entre reivindicações fechadas que são escritas em formato "consistindo de" e reivindicações completamente abertas que são destacadas num formato "compreendendo". A presente invenção inclui também incorporações escritas modificando as

incorporações "compreendendo" descritas aqui em outros lugares substituindo o termo de transição "compreendendo" pela expressão de transição "consistindo essencialmente de". Quando usada, a expressão de transição "consistindo 35 essencialmente de" exclui um ou mais componentes adicionais suplementares e de base acima mencionados. Composto orgânico volátil (VOC) Um "composto orgânico volátil" significa uma molécula consistindo dos elementos carbono, hidrogênio, e oxigênio e tem um peso molecular menor que 500 g/mol. Preferivelmente, um VOC tem um peso molecular menor que 5 250 g/mol. Mais preferivelmente, o VOC é independentemente selecionado do grupo consistindo de: HO-alquila de (C1-C8); HO-alquileno de (C2-C8) -O-alquila de (Ci-C4) ; alcanona de (C3-C8) ; HO-alcanona de (C3-C8) ; alquila de (Ci-C8)-C (0) O-alquila de (C1-C4); [oxo-alquila 10 de (C3-C8) ]-C (0) O-alquila de (Ci-C4); alquileno de (C0-C6)- [C (O) O-alquila de (C1-C4)J2; O-[alquila de (C1-C4)J2; e [oxo-alquila de (C2-C4) J-O-alquila de (C1-C4).

"Alquila de (C1-C4)" e "alquila de (C1-C8)" significam um radical de hidrocarboneto saturado, de cadeia normal ou 15 ramificada, não-substituido dela4edela8 átomos de carbono, respectivamente. "Alquileno de (C2-C8)" e "alquileno de (C0-C6)" significam um di-radical de hidrocarboneto saturado, de cadeia normal ou ramificada, não-substituido de 2 a 8 e de 0 a 6 átomos de carbono, 20 respectivamente. "Alquileno de (C0)" significa que o alquileno está ausente. "Alcanona de (C3-C8)" e "alcanona de (C2-C4)" significam um hidrocarboneto saturado, de cadeia normal ou ramificada, de3a8ede2a4 átomos de carbono, respectivamente, que é substituído por um 25 grupo oxo (isto é, =0) em qualquer um dos átomos de carbono exceto átomos de carbono terminais, sendo que o hidrocarboneto é por outro lado não-substituído. "HO- alcanona de (C3-C8)" é uma alcanona de (C3-C8), definida anteriormente, substituída com hidroxi. Um "[oxo-alquila 30 de (C3-C8)J" e "[oxo-alquila de (C2-C4)J" é um radical de carbono de alcanona de (C3-C8) e de alcanona de (C2-C4), respectivamente sendo que alcanona de (C3-C8) e alcanona de (C2-C4) estão definidos anteriormente.

Os VOCs preferidos são acetona, 1-butanol, 2-butanol, 2- metil-l-propanol, 1-pentanol, 1-hexanol, 2-butoxi-etanol,

2-butoxi-2-propanol, hidroxiacetona, acetato de etila, e acetato de 2-oxo-etila; são mais preferidos acetona, etanol, 2-propanol, 1, 3-propanodiol, 1-butanol, e 1,4- butanodiol; são ainda mais preferidos: etanol e 1- butanol. Num processo da invenção para produzir um VOC particular, onde o processo produz dois ou mais VOCs, 5 preferivelmente se produz o VOC particular como o componente majoritário dos dois ou mais VOCs, isto é, o VOC é produzido em concentração média temporal no caldo de fermentação num recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não 10 mostrado) ou num recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não mostrado) ) que seja maior que a concentração média temporal de qualquer outro VOC no caldo de fermentação no recipiente de fermentação (quando se usa um recipiente de fermentação fervida de novo 222, 15 mede-se a concentração média temporal antes de começar uma operação de extração).

Organismos (isto é, micróbios)

Os processos da invenção empregam um ou mais micróbios para produzir um ou mais VOCs. No presente pedido de patente, usam-se os termos "micróbio" e "organismo" de modo a permitir troca ou substituição. Os tipos de organismos apropriados para produção de um VOC por fermentação incluem cianobactérias, leveduras, e fungos filamentosos. São exemplos de organismos preferidos: Acetobacter, Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Brevibacterium, Candida, Clostridium, Corynebacterium, Enterococcus, Erwinia, Escherichia, Flavobacterium, Gluconobacter, Hansenula, Klebsiella, Lactobacillus, Methylobacterium, Micrococcus, Mycobacterium, Nocardia, Paenibacillus Pichia, Pseudomonas, Rhodococcus,

Saccharomyces, Salmonella, Thermoanaerobacter,

Xanthobacter, e Zymomonas. Um organismo mais preferido para produzir 1-butanol por fermentação é um Clostridium, é ainda mais preferido Clostridium acetobutylicum ou 35 Clostridium beijerinckii. Um organismo mais preferido para produzir etanol por fermentação é Klebsiella, Saccharomyces, ou Zymomonas. Para se usar num processo da presente invenção, um organismo pode ser selecionado baseado em vários critérios incluindo (1) disponibilidade de mecanismo biossintético para produzir um VOC produto desejado por 5 fermentação; (2) capacidade de um organismo particular para utilizar rapidamente uma fonte de carbono nutriente tais como, por exemplo, carboidratos, glicerol ou óleos vegetais; e (3) tolerância de crescimento do organismo a um ou mais VOCs produzidos pelo organismo. Determinadas 10 espécies de Clostridium num caldo de fermentação são capazes de produzir uma mistura de VOCs de acetona, butanol, e etanol usando amido como um estoque de abastecimento e são tolerantes a niveis de VOCs totais de até aproximadamente 2,0% em peso, isto é, um total de 2,0 15 g de VOCs por 100 mL do caldo de fermentação (peso/volume).

Na descrição da invenção, algumas vezes usa-se aqui o termo mais curto "concentração" referindo-se à "concentração média temporal" de um ou mais Vocs num caldo de fermentação.

0 termo "suprimento de nutrientes" significa um nutriente seco ou uma corrente, solução, ou suspensão, compreendendo o nutriente seco.

A expressão "comunicação fluida" significa utilizar ou 25 estar disponível para receber ou enviar um fluxo de gás (por exemplo, vapor), de líquido, ou de caldo. A comunicação fluida entre quaisquer dois elementos (por exemplo, unidades ou componentes) de um aparelho ou processo da invenção pode ser, direta (por exemplo, via 30 uma conexão direta entre os dois elementos ou via um conduíte de fluido (por exemplo, um tubo, uma mangueira, e um duto) que proveja conexão direta entre os dois elementos) , ou indireta (por exemplo, via um ou mais elementos intermediários que se interponham

seqüencialmente entre os dois elementos comunicantes). Comunicação fluida seletiva significa comunicação fluida ou estando pronto para comunicação fluida (por exemplo, abrindo uma válvula). Se duas das unidades, componentes, ou elementos estiverem em comunicação fluida com uma terceira unidade, componente, ou elemento comum, então as duas unidades, componentes, ou elementos estarão em 5 comunicação fluida entre si. Quaisquer unidades, componentes, ou elementos aqui descritos como estando em comunicação fluida (direta ou indireta) também estão em conexão operativa são se declarado diferentemente. A comunicação fluida é por meio de uma conexão livre de 10 vazamento (menos que 5% em peso de perda) , preferivelmente por meio de uma conexão substancialmente livre de vazamento (menos que 1% em peso de perda), mais preferivelmente por meio de uma conexão livre de vazamento (menos que 0,001% em peso de perda).

0 termo "conexão operativa" significa uma conexão direta ou indireta (isto é, via o um ou mais elementos intermediários mencionados anteriormente) e funcional (isto é, operável para um propósito pretendido). Conexão operativa seletiva significa conexão operativa ou estando 20 pronto para conexão operativa. Uma abertura de um recipiente estando conectada operativamente a uma abertura de outro recipiente (isto é, os recipientes estando conectados operativamente entre si em suas aberturas) significa estando conectado operativamente a 25 pelo menos superfícies da abertura; conectados operativamente a pelo menos superfícies externas do recipiente próximas ou em torno da abertura; conectados operativamente a pelo menos superfícies internas do recipiente próximas ou em torno da abertura; ou qualquer 30 combinação dos mesmos. Muitas maneiras de conectar operativamente a aberturas, entradas e saídas ou outras são conhecidas e aqui consideradas.

0 termo "conectado operativamente" significa contato funcional e direto ou indireto tal como, por exemplo, um eixo preso a um mancai de eixo lubrificado e sendo operável para substancialmente girar livremente, ou mover-se para frente e para trás (por exemplo, em direções ascendente e descendente num mancai de eixo orientado verticalmente) no eixo de mancai, o eixo de mancai guiando o eixo para mantê-lo numa orientação desejável (por exemplo, vertical).

Arranjo relativo da unidade de fermentação 200 e da unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2)

No aparelho de invenção da primeira incorporação, uma unidade de fermentação 200 e uma unidade de VSS (por 10 exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) podem estar, uma com respeito à outra num arranjo espacial vertical, horizontal ou intermediário (por exemplo, diagonal). A unidade de fermentação 200 e uma unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) podem estar 15 afastadas uma da outra ou em contato uma com a outra. Num arranjo vertical, o recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não mostrado) ou um recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não mostrado) ) da unidade de fermentação 200 é 20 disposto aproximadamente acima, ou pelo menos está acima com respeito ao recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 ou 178 da Figura 2) da unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) . Conseqüentemente, a primeira abertura de fluido 271 (não 25 mostrada) do recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222) pode estar situada numa porção inferior 234 do recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222) e uma terceira abertura de fluido (por exemplo, 132) do recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 ou 30 178 da Figura 2) situada numa porção de topo 54 ou 175 de um recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 ou 178 da Figura 2) de uma unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2).

Entretanto, prefere-se a unidade de fermentação 200 e a unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) num arranjo geralmente horizontal de uma com respeito à outra. Num arranjo horizontal, o recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222) da unidade de fermentação 200 pode ser disposto espaçado do ou aproximadamente adjacente ao recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 ou 178 da Figura 2) de uma 5 unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2). Conseqüentemente, a primeira abertura de fluido 271 (não mostrada) e a terceira abertura de fluido 33 da Figura 1 (não mostrada) podem se situar em porções laterais 230 (não mostradas) do recipiente de fermentação 10 (por exemplo, 211 e 222) e nas porções laterais 30 e 130 (não mostradas) do recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 ou 178 da Figura 2), respectivamente.

Em qualquer arranjo de um recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não 15 mostrado) ou um recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não mostrado) ) e de um recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 ou 178 da Figura 2) num aparelho de invenção, a primeira abertura de fluido (por exemplo, 271) e a terceira abertura de fluido (por exemplo, 33 e 20 132) estão em comunicação fluida uma com a outra tal como aqui descrito. Quando desejado, uma ou mais válvulas 17 podem ser dispostas no recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222), no recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 ou 178 da Figura 2) , ou entre o 25 recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222) e o recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 ou 178 da Figura 2), ou qualquer combinação dos mesmos, para interromper, iniciar ou controlar o fluxo de um caldo de fermentação de ou para o recipiente de fermentação (por 30 exemplo, 211 e 222), o recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 ou 178 da Figura 2), o recipiente de membrana 811, se houver, ou de ou para qualquer outro componente de um aparelho de invenção.

Geralmente, aberturas de gás e aberturas de vapor num recipiente ocorrem, preferivelmente, em superfícies de uma porção superior do recipiente. Aberturas de líquido para receber um líquido num recipiente ocorrem, preferivelmente, em superfícies de uma porção lateral ou de uma porção superior do recipiente. Aberturas de fluido para enviar um líquido de um recipiente ocorrem, preferivelmente, em superfícies de uma porção lateral ou de uma porção inferior do recipiente.

Unidade de fermentação 200

Uma unidade de fermentação 200 do aparelho de invenção da primeira incorporação compreende um recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não mostrado) ou um recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não mostrado)), aqui descrito. Um recipiente de fermentação padrão significa um recipiente de fermentação que é operado numa pressão atmosférica, enquanto que recipiente de fermentação fervida de novo significa um recipiente de fermentação que é operado numa pressão subatmosférica. A unidade de fermentação 200 pode compreender ainda outros componentes tais como, por exemplo, um meio para agitar um líquido 950, membrana de ultrafiltração 822, guarnições 218, medidores 219, válvulas 217, sensores 216, trocadores de calor 214, e elementos de aquecimento 213 e elementos de resfriamento 212 (todos não mostrados) . Como aqui descrito, o recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222, não mostrados) define pelo menos duas aberturas (por exemplo, 271 e 272) .

Um caldo de fermentação pode ou não ser aquecido e/ou agitado num recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não mostrado) ou um recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não 30 mostrado) ) . Preferivelmente, o caldo de fermentação é aquecido ou agitado, mais preferivelmente aquecido e agitado, no recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222) . O caldo de fermentação pode ser aquecido, por exemplo, imergindo um elemento de aquecimento (por 35 exemplo, 213) ou trocador de calor (por exemplo, 214), ou ambos no mesmo. O caldo de fermentação ou líquido clarificado pode ser agitado, por exemplo, por um motor de agitação (por exemplo, 225), haste (por exemplo, 229), e conjunto impulsor (por exemplo, 228) ou borbulhando um gás inerte numa porção inferior (por exemplo, 234) no espaço volumétrico fechado do recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222).

Numa unidade de fermentação 200, prefere-se um recipiente de fermentação padrão 211 ou um recipiente de fermentação fervida de novo 222, também conhecido como recipiente de fermentação com vapor extraído. Os recipientes de 10 fermentação úteis na presente invenção são obteníveis de numerosos fornecedores comerciais tais como, por exemplo, New Brunswick Scientific Company, Inc., Edison, New Jersey, EUA.

Executa-se uma fermentação de um processo inventivo 15 usando métodos bem conhecidos. Por exemplo, primeiro se esteriliza o recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não mostrado) ou um recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não mostrado)) em autoclave ou no sítio e depois se carrega o 20 recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222) esterilizado resultante comum suprimento de nutrientes, por exemplo, uma mistura-padrão de meio nutriente contendo glicose ou outro carboidrato assimilável tal como amido ou solução de purga de milho. Preferivelmente, 25 o suprimento de nutrientes é adicionado ao recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222) num modo contínuo ou por batelada. Inocula-se a mistura-padrão com um inóculo de células móveis de um organismo desejado. Outros aditivos, tais como agentes antiespumantes, podem ser 30 adicionados ao caldo para controlar a formação de espuma. Opcionalmente, uma membrana de ultrafiltração 822 (não mostrada) pode ser colocada dentro do recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222) para aumentar a concentração das células no caldo de fermentação.

Preferivelmente, um fluxo de gás de varrimento de nitrogênio cruza o espaço superior de um recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não mostrado) até a cultura iniciar a produção de seus próprios gases (CO2 e H2). Neste ponto o processo de batelada resultante pode ser convertido num processo de alimentação por batelada ou continuo adicionando periodicamente ou continuamente, respectivamente, um fluxo de suprimento de nutrientes contendo carboidratos e nutrientes para o caldo de fermentação no recipiente de fermentação fervida de novo 222. Finalmente, inicia-se um fluxo de solução de purga (isto é, uma porção liquida do caldo de fermentação) do recipiente de fermentação fervida de novo 222 para manter um nivel de liquido constante no recipiente de fermentação fervida de novo 222 e purgar impurezas não desejadas tais como ácidos orgânicos não-voláteis e outros subprodutos do metabolismo de organismo que por outro lado se acumulariam no recipiente de fermentação fervida de novo 222 com o decorrer do tempo. As células permanecem no recipiente de fermentação fervida de novo 222 enquanto que a porção liquida do caldo de fermentação é renovada.

Unidade de extração lateral a vácuo (VSS)

No processo e aparelho inventivo, usa-se uma unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) para remover um ou mais VOCs do caldo de fermentação. Uma unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) é uma unidade de destilação horizontal de multicompartimentos para extrair uma corrente lateral em pressão subatmosférica e, preferivelmente, em temperatura elevada (isto é, acima da temperatura ambiente) e em condições de não-ebulição injetando um gás inerte (por exemplo, nitrogênio) de uma fonte de gás de extração (por exemplo, 11 e 111 (não mostradas)) através de uma abertura de gás (por exemplo, 45 e 145, não indicadas) de um recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 17 8 da Figura 2).

Em geral, a unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) compreende um recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) que é uma coluna horizontal tendo compartimentos internos de extração (por exemplo, 81-83 e 181-185) separados por divisórias ou anteparos (não mostrados) projetados para controlar fluxo de contracorrente de liquido e vapor ou

gás através da unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura

1 ou 100 da Figura 2) . Num aspecto da primeira incorporação, o aparelho inventivo compreende ainda uma segunda unidade de VSS (por exemplo, outra 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2), a segunda unidade de VSS (por 10 exemplo, outra 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) tendo independentemente um espaço volumétrico fechado de um segundo recipiente de extração que está em conexão operativa seqüencial e em comunicação fluida com o espaço volumétrico fechado do recipiente de extração (por 15 exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) da (primeira) unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2), e o espaço volumétrico fechado de um recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não mostrado) ou um recipiente de 20 fermentação fervida de novo 222 (não mostrado)) da unidade de fermentação 200 (não mostrada) da primeira incorporação. Considera-se também um aparelho inventivo tendo três ou mais tais unidades de VSS independentes sendo que as três ou mais unidades de VSS podem estar em 25 conexão operativa seqüencial ou serial, e em comunicação fluida com a unidade de fermentação 200.

A unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) pode compreender ainda outros componentes tais como, por exemplo, guarnições 218, válvulas 217, 30 medidores 219, sensores 216, trocadores de calor 214, elementos de aquecimento 213 e elementos de resfriamento 212 (todos não mostrados) descritos acima para uma unidade de fermentação 200 (não mostrada) . Como aqui descrito, o recipiente de extração (por exemplo, 78 da 35 Figura 1 e 178 da Figura 2) define aberturas (por exemplo, 132 e 141) , que pode estar dispostas no recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) a fim de estarem próximas ou distantes umas das outras, ou qualquer combinação das mesmas. As aberturas (por exemplo, 132 e 141) no recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2)

provêm acesso ao interior (por exemplo, 57 e 156) do recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) para adicionar remover conteúdos do recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) e fixar outros componentes do aparelho 10 inventivo e estruturas suportes (não mostradas) ao recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) . Exemplos de conteúdos de recipiente de extração são os mesmos acima descritos para conteúdos de recipiente de fermentação.

Unidades de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) do tipo agitação e do tipo circulação são meios valiosos para extrair um ou mais VOCs do caldo de fermentação. Portanto, outra incorporação da presente invenção é um aparelho, o aparelho compreendendo uma 20 unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) aqui descrita.

Onde um recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) tem disposto lá dentro três ou mais compartimentos de extração (por exemplo, 81 a 83 e 181 a 25 185), isto é quando há um ou mais compartimentos de extração intermediários (por exemplo, 82 e 182-184), os três ou mais compartimentos de extração podem estar num arranjo linear ou não-linear (por exemplo,

perpendicular).

Membros divisórios verticais (por exemplo 76 e 176) podem compreender uma peça unificada do recipiente de extração (por exemplo, um recipiente de extração que tenha sido formado com porções horizontais destacando-se internamento do próprio recipiente de extração). Membros 35 divisórios verticais (por exemplo, 76 e 176) podem estar suspensos dentro do recipiente de extração, mas sem tocarem o recipiente de extração (por exemplo, sobre uma haste geralmente horizontal 97 (não mostrada) que cruza através de uma abertura central 98 em cada um dos membros divisórios verticais (por exemplo, 76 e 176) e geralmente abarca um comprimento do recipiente de extração entre a 5 extremidade próxima 90 e a extremidade distante (não mostradas) do mesmo).

Preferivelmente, uma unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) compreende pelo menos um meio 900 para contatar um liquido com um vapor, o meio 10 900 para contatar um líquido com um vapor estando contatado operativamente com um recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) da unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) numa primeira abertura de agitação (não 15 indicada) do recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) e estando em comunicação fluida com um interior de compartimento de extração. Mais preferivelmente, a unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) compreende meio 900 para 20 contatar um líquido com um vapor para cada compartimento de extração (por exemplo, 81-83 e 181-185) e o recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) definindo ainda aberturas de agitação 35 a 37 e 150 a 154/135-139 (não indicadas) tal que haja pelo menos uma 25 abertura de agitação para cada compartimento de extração (por exemplo, 81-83 e 181-185), cada meio 900 para contatar um líquido com um vapor estando contatado operativamente ao recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) numa abertura de agitação 30 diferente 35 a 37 e 150 a 154/135-139 e estando em comunicação fluida com um interior de compartimento de extração diferente (não indicado).

Quando se adiciona um líquido (por exemplo, caldo de fermentação ou um derivado líquido clarificado do mesmo) num compartimento de extração (por exemplo, 81-83 e 181- 185) do recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2), tipicamente, o líquido fluirá em comunicação fluida através de conduites de passagem de líquido (por exemplo, 94 e 194), de aberturas de passagem de líquido 4, ou qualquer combinação dos mesmos para os outros compartimentos de extração do recipiente de 5 extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2). Assim, o líquido fluirá em torno, através, ou em torno e através de um membro divisório vertical (por exemplo, 7 6 e 17 6) dividindo os compartimentos de extração.

Em qualquer compartimento de extração particular recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) tendo um líquido disposto lá dentro, preferivelmente haverá um espaço de líquido (isto é, onde

o líquido estará) e um espaço superior (contendo gás, vapor, ou ambos, e durante agitação ou circulação do 15 líquido, gotículas ou respingos de líquido) acima do espaço de líquido. Os espaços de líquido estarão em comunicação líquida seqüencial uns com os outros e os espaços superiores estarão em comunicação gás/vapor seqüencial uns com os outros.

Os compartimentos de extração (por exemplo, 81-83 e 181- 185) de um recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) podem ser de mesmo volume ou de volumes diferentes, ou uma combinação dos mesmos. Preferivelmente, os compartimentos de extração (por 25 exemplo, 81-83 e 181-185) de um recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) são geralmente de mesmo volume.

Dependendo de um processo de fermentação particular (por exemplo, organismo particular e sua sensibilidade aos 30 efeitos de inibição de produto), uma operação de extração pode iniciar em qualquer concentração média temporal de VOCs num caldo de fermentação num recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não mostrado) ou um recipiente de fermentação 35 fervida de novo 222 (não mostrado) ) ou num recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2). Como ilustração, uma operação de extração da unidade de VSS 10, compreende uma operação de agitação (líquido), uma operação de vácuo, uma operação de extração de gás, uma operação de aquecimento, ou qualquer combinação das mesmas. Preferivelmente, uma operação de extração da 5 unidade de VSS 10, compreende operações de agitação, vácuo, extração de gás, e de aquecimento.

Durante a operação de agitação da unidade de VSS 10, preferivelmente o caldo de fermentação, ou um derivado líquido clarificado do mesmo, é agitado nos espaços 10 superiores ou circula para bocais de pelo menos um compartimento de extração (por exemplo, 81-83 e 181-185) de um recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2); mais preferivelmente de cada compartimento de extração (por exemplo, 81-83 e 181-185) . 15 Durante a operação de vácuo da unidade de VSS 10, um vácuo de uma fonte de vácuo 5 pode puxar seqüencialmente uma corrente de caldo de fermentação, ou de um derivado líquido clarificado do mesmo, do recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222), através da primeira 20 abertura de fluido (por exemplo, 271), da terceira abertura de fluido (por exemplo, 132) para pelo menos um compartimento de extração (por exemplo, 81-83 e 181-185) do segundo interior do recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2).

Durante a operação de injeção de gás de extração da unidade de VSS 10 ou 100, a abertura de gás (por exemplo, 45 e 145) do recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) está conectada operativamente a uma fonte de gás de extração (por exemplo, 11 e 111 não 30 mostradas; por exemplo, fonte de gases livres de fermentação tais como CO2 e H2 e/ou gases inertes nitrogênio ou argônio). A abertura de gás (por exemplo,

45 e 145) e abertura de vapor (por exemplo, 46, não indicada e 141) próximas ou distantes umas das outras no recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) . Preferivelmente, a abertura de gás (por exemplo, 45 e 145, ambas não indicadas) está em comunicação fluida direta com um compartimento de extração distante (por exemplo, 83 e 185) e a abertura de vapor (por exemplo, 46 e 141) está em comunicação fluida direta com um compartimento de extração próximo (por 5 exemplo, 81 e 181) do interior (por exemplo, 57 e 156) do recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) a fim de produzir um fluxo seqüencial de gás de extração injetado da fonte de gás de extração (por exemplo, 11 e 111) através de cada compartimento de 10 extração (por exemplo, 81-83 e 181-185) e fora da abertura de vapor (por exemplo, 46 e 141) . Alternativamente, tal fluxo seqüencial pode ser produzido proveniente de uma abertura de gás (por exemplo, 45 e 145) que está próxima da abertura de vapor (por exemplo, 15 46 e 141) injetando um gás de extração de uma fonte de gás de extração (por exemplo, 11 e 111) da abertura de gás (por exemplo, 45 e 145) através do interior de recipiente de extração (por exemplo, 57 e 156) e no compartimento de extração distante (por exemplo, 83 e 20 185), sendo que o gás de extração injetado pe liberado e flui seqüencialmente para abertura de vapor (por exemplo,

46 e 141).

Durante a operação de aquecimento da unidade de VSS 10, o caldo de fermentação ou líquido clarificado é dessa forma 25 extraído no recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) para produzir um vapor de VOC úmido (não mostrado) compreendendo vapor d'água (como mencionado anteriormente, o caldo de fermentação ou líquido clarificado é aquoso) e vapor de pelo menos um 30 VOC. Tal vapor de VOC úmido flui do recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) através da abertura de vapor (por exemplo, 46, não indicada, e 141).

Preferivelmente, a operação de extração de uma unidade de VSS 10 compreende uma operação agitação, de vácuo, de injeção de gás de extração, ou de aquecimento, ou qualquer combinação das mesmas. Mais preferivelmente, a operação de extração de uma unidade de VSS 10 compreende uma operação agitação, de vácuo, de injeção de gás de extração, e de aquecimento.

Comparada a uma coluna comprimida convencional ou extrator de coluna de bandeja (não mostrada), uma unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) é menos provável de se tornar suja com os sólidos de caldo de fermentação (por exemplo, uma biomassa de células de um organismo) . A temperatura numa unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) não necessita ser mantida abaixo da temperatura máxima que um organismo pode tolerar contanto que a temperatura do líquido extraído que retorna para um recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não mostrado) ou um recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não mostrado)) não seja suficientemente elevada a ponto de matar substancialmente (isto é, uma taxa de mortalidade maior que 10% por dia) células do organismo no caldo de fermentação do recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222) . Quando necessário, a temperatura de extração pode ser controlada usando trocadores de calor 214, aqui descritos, para melhorar a eficiência de energia do processo inventivo.

Preferivelmente, contata-se ou mistura-se gás de contra- 25 fluxo e fases líquidas em cada compartimento de extração (por exemplo, 81-83 e 181-185) do recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) para promover o processo de extração. Por exemplo, o gás inerte injetado arrasta VOCs fluindo numa direção de um 30 compartimento de extração distante (por exemplo, 83 e 185) do recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura

1 e 178 da Figura 2) seqüencialmente através de quaisquer compartimentos de extração intermediários (por exemplo, 82 e 182-184) para um compartimento de extração próximo 35 (por exemplo, 81 e 181) e para fora através de uma abertura de vapor (por exemplo, 46, não mostrada, e 141) no recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2), a abertura de vapor (por exemplo, 46 e 141) estando em comunicação fluida com o compartimento de extração próximo (por exemplo, 81 e 181). Ao mesmo tempo, um suprimento de caldo de fermentação, ou um líquido 5 clarificado derivado do mesmo, é alimentado no compartimento de extração próximo (81 e 181) e flui, numa direção contrária à direção do fluxo de gás inerte, seqüencialmente através de quaisquer compartimentos de extração intermediários (por exemplo, 82 e 182-184) para 10 um compartimento de extração distante (por exemplo, 93 e 185) e para fora através de outra abertura de fluido (por exemplo, 34 e 134, ambas não mostradas) no recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2), a outra abertura de fluido (por exemplo, 34 e 134) 15 estando em comunicação fluida com o compartimento de extração distante (por exemplo, 83 e 185) e, preferivelmente, caldo de fermentação num recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não mostrado) ou um recipiente de fermentação 20 fervida de novo 222 (não mostrado)) de uma unidade de fermentação 200.

Pode-se contatar ou misturar gás de contra-fluxo e fases líquidas em cada compartimento de extração (por exemplo, 81-83 e 181-185) por um meio 900 para contatar um líquido 25 com um vapor, descrito por último. Normalmente, obtém-se desempenho satisfatório de extração com 3 a 10 compartimentos de extração (por exemplo, 81-83 e 181-185) na unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) . A unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 30 ou 100 da Figura 2) difere do tipo de coluna de destilação horizontal descrita por Markel e Drew ["A Horizontal Fractionating Device" ("Dispositivo de fracionamento horizontal"), Ind. Eng. Chem., volume 51, pp. 619-624 (1959)] por que, diferentemente do design de 35 Markel e Drew, a unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) não contém materiais comprimidos dentro de espaços líquidos mínimos (por exemplo, indicado por porção de fundo cinza de metade inferior de interior (não indicada) do recipiente de extração 178 na Figura 2) dos compartimentos de extração (por exemplo, 81-83 e 181-185), preferivelmente não 5 contém uma quantidade substancial de materiais comprimidos dentro de espaços líquidos e espaços superiores (por exemplo, indicado por porção de fundo branca de metade superior de interior (não indicada) do recipiente de extração 178 na Figura 2) dos 10 compartimentos de extração (isto é, preferivelmente cada compartimento de extração não contém uma quantidade substancial (significando não ocupar mais que 5% do volume de compartimento de extração) com materiais comprimidos), mais preferivelmente não contém qualquer 15 quantidade de materiais comprimidos dentro de espaços líquidos e espaços superiores do compartimento de extração (isto é, preferivelmente, cada compartimento de extração não contém qualquer quantidade, significando cerca de 0% de volume de volume de compartimento de 20 extração, de materiais comprimidos) . A unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) elimina virtualmente o potencial para incrustação das partes internas devido ao entupimento do material comprimido com sólidos de caldo de fermentação.

A quantidade de gás de extração que entra num recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) de uma unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) pode ser ajustada para permitir operação da unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da 30 Figura 2) numa pressão que esteja acima da pressão mínima que um micróbio pode tolerar, e numa temperatura abaixo da temperatura máxima que o micróbio pode tolerar. Estas são apenas estimativas de um limite mínimo de pressão. O limite real de pressão mínima dependerá do tipo de 35 organismo. Por exemplo, organismos bacterianos gram- negativos serão menos tolerantes a uma redução súbita na pressão comparada a organismos bacterianos gram- positivos. 0 organismo Clostridium é um organismo gram- positivo formador de esporo e é mais robusto que a maioria dos organismos gram-negativos, tais como E. coli, numa fermentação de ABE.

Preferivelmente, um recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) e um recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não mostrado) ou um recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não mostrado) ) define, cada um 10 deles, aberturas de fluido de retorno (por exemplo, 34 e 134, ambas não mostradas), o recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2), na abertura de fluido de retorno de recipiente de extração (por exemplo, 34 e 134), estando ainda em conexão operativa e 15 em comunicação fluida com o recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222) na abertura de fluido de retorno de recipiente de fermentação (por exemplo, 264, não mostrada) tal como por uma linha de retorno (por exemplo, 32 e 263, não mostradas).

Um técnico treinado saberia que uma ou mais unidades e componentes adicionais podem ser empregados num aparelho inventivo da primeira incorporação e num processo da segunda incorporação para executar determinadas operações adicionais de processamento. Descrevem-se abaixo exemplos 25 de tais unidades e componentes adicionais.

Componentes adicionais

Em algumas incorporações, um aparelho da presente invenção compreende ainda, entre outras coisas, um ou mais componentes adicionais selecionados do grupo 30 consistindo de: um soprador, uma primeira bomba de vácuo/compressor, uma segunda bomba de vácuo/compressor, um condensador de vapor/liquido, um decantador, um extrator de Iiquido-líquido, um meio para separar pelo menos um composto orgânico volátil de água (meio 35 separador) , uma unidade de coluna de destilação com parede divisória (DWC), uma membrana de ultrafiltração, e um recipiente de membrana, sendo que o soprador, a primeira bomba de vácuo/compressor, a segunda bomba de vácuo/compressor, o condensador de vapor/liquido, o decantador, o extrator de Iiquido-liquido, o meio separador, e a DWC operam, independentemente, em conexão 5 e em comunicação fluida com a abertura de vapor do recipiente de extração; a membrana de ultrafiltração está disposta dentro do recipiente de membrana ou o recipiente de membrana está ausente e a membrana de ultrafiltração está disposta dentro do recipiente de fermentação; o 10 recipiente de membrana está em conexão operativa e em comunicação fluida com a primeira abertura de fluido do recipiente de fermentação e com a terceira abertura de fluido do recipiente de extração; a comunicação fluida se estabelece entre o recipiente de fermentação, o 15 recipiente de extração e o um ou mais componentes adicionais. Numa incorporação preferida, o meio para separar pelo menos um composto volátil de água compreende uma unidade de adsorção com modulação de pressão (PSA).

Em ainda outra incorporação preferida, o um ou mais 20 componentes adicionais compreendem a unidade de PSA e a unidade de DWC, a abertura de vapor do recipiente de extração estando em conexão operativa seqüencial e em comunicação fluida com a unidade de PSA e a unidade de DWC.

Em ainda outra incorporação preferida, o aparelho compreende ainda a membrana de ultrafiltração.

Em ainda outra incorporação preferida, o aparelho compreende ainda a primeira bomba de vácuo/compressor, a segunda bomba de vácuo/compressor, o condensador de 30 vapor/liquido, o decantador, a unidade de PSA, e a unidade de DWC, a abertura de vapor do recipiente de extração estando em conexão operativa seqüencial e em comunicação fluida com a primeira bomba de vácuo/compressor, segunda bomba de vácuo/compressor, 35 condensador de vapor/liquido, decantador, unidade de PSA e unidade de DWC.

Em ainda outra incorporação preferida, o recipiente de extração e o recipiente de fermentação definem ainda, cada um deles, uma abertura de fluido de retorno, a abertura de fluido de retorno do recipiente de extração estando em conexão operativa seqüencial e em comunicação 5 fluida com a abertura de fluido de retorno do recipiente de fermentação.

São exemplos de um meio para separar pelo menos um composto orgânico volátil de água: uma unidade de PSA 400; uma unidade de adsorção convencional 401 (não 10 mostrada) , sendo que se usa pelo menos um leito de adsorção de água (por exemplo, silica gel ou um zeólito tal como uma peneira molecular de 3 angstrom) para adsorver água de um suprimento liquido de VOCs úmidos e produzir uma corrente liquida de VOCs substancialmente 15 secos; e uma unidade de destilação azeotrópica convencional 402 (não mostrada) empregando um agente orgânico de secagem azeotrópica (por exemplo, tolueno ou acetato de etila), que também é genericamente conhecido como um arrastador.

Unidade de PSA 400

Preferivelmente, o meio para separar VOCs de água é uma ou mais unidades de PSA 400(não mostradas). As unidades de PSA 400 e ciclos de PSA são conhecidos e descritos em "Gas Separation by Adsorption Processes" ("Separação de 25 gases por processos de adsorção") por Ralph T. Yang, World Scientific Publishing Company, Pte. Ltd., Singapura (escritório nos EUA em River Edge, New Jersey) , 1997. Para os propósitos da presente invenção, a unidade de PSA 400 compreende uma subunidade de vaporização 444 (não 30 mostrada) e uma subunidade de separação 445 (não mostrada), cada subunidade tendo uma entrada de fluido e uma saída de fluido.

Unidade de DWC 500

A unidade de DWC 500 (não mostrada) está descrita em "Perry's Chemical Engineers' Handobook" por Don W. Green e Robert H. Perry, 8a Edição, McGraw-Hill Professional, Nova Iorque, Nova Iorque, EUA. Uma unidade de DWC é útil para separar dois ou mais VOCs numa mistura dos mesmos, preferivelmente sendo que a mistura dos dois ou mais VOCs está substancialmente seca. Quando se produzem quatro ou mais VOCs num processo inventivo, uma série de duas ou 5 mais colunas de destilação convencionais, unidades de DWC 500, ou qualquer combinação das mesmas, podem ser arranjadas rapidamente para separar os quatro ou mais VOCS uns dos outros.

Coluna de função dupla 300 0 aparelho e processo da invenção podem compreender ainda uma coluna de função dupla 300 (não mostrada) . Num processo e aparelho inventivo, uma coluna de função dupla 300 serve para pelo menos dois propósitos: (1) concentrar vapores de VOCs que deixam um recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não mostrado)) ou um recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2); e (2) extrair VOCs de um suprimento de camada aquosa para a coluna de função dupla de um decantador 650 antes da camada aquosa, por exemplo, retornar para o recipiente de fermentação (por exemplo, 222, não mostrado) ou ser enviada para descarte. A coluna de dupla função 300 pode ser acondicionada com acondicionamento de destilação convencional, com acondicionamento de destilação estruturado, ou ela pode ter bandejas de destilação dispostas dentro dela. Uma coluna de dupla função pode ter uma porção de topo que pode funcionar como um eliminador de névoa-úmida.

Membrana de ultrafiltração 822 e unidade de membrana de ultrafiltração 800

Uma membrana de ultrafiltração 822 (não mostrada) é um conjunto de módulos de membranas convencionais tais como, por exemplo, módulos de membranas de fibras ocas ou módulos de membranas de folhas planas que são capazes de 35 serem colocadas em autoclaves ou esterilizáveis no sitio. Preferivelmente, se esteriliza uma membrana de ultrafiltração 822 antes de iniciar um processo de fermentação e monitora-se para incrustações potenciais durante o processo de fermentação. São exemplos de tais módulos de membranas úteis na presente invenção, os módulos de membranas de fibras ocas fabricados por Zenon, 5 uma subsidiária de General Electric. Aspectos gerais da aplicação de membranas de ultrafiltração para filtração de água em operações de biorreator estão descritos por Yang, Cicek, e Ilg ["State-of-Art of Membrane Bioreactors: Worldwide Research and Commercial 10 Aplications in North America", J. Membr. Sci., volume 270, pp. 201-211 (2006)] e considerados para o aparelho e processo da presente invenção.

Opcionalmente, um aparelho e processo da invenção podem compreender ainda, entre outras coisas, uma membrana de ultrafiltração 822 (não mostrada), que pode ser empregada dentro de um recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não mostrado) ou um recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não mostrado)) ou num recipiente de membrana 811 (não mostrado) que compreende uma unidade de membrana de ultrafiltração 800 (não mostrada). Tal recipiente de membrana 811 define pelo menos duas aberturas, abertura de fluido de suprimento 837 e abertura de fluido de drenagem 838, e preferivelmente uma terceira abertura, uma abertura de vácuo 839 (todas não mostradas) . 0 recipiente de membrana 811 se interpõe entre, e em conexão operativa e em comunicação fluida com, o recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222) e um recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) de uma unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) descritos em outros lugares. Recompressão mecânica de vapor

A recompressão de duas bombas de vácuo/compressores conectados seqüencialmente é comumente chamada de recompressão mecânica de vapor, e ela serve para melhorar eficiência de energia de um processo de fermentação (ebulição) . Alternativamente, vapores elevados de um recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) de uma unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) , de uma coluna de dupla função 300 (não mostrada) , ou de um recipiente de 5 fermentação fervida de novo 222 (não mostrado) podem ser comprimidos até pressão atmosférica numa única bomba de vácuo/compressor 370.

Meio 900 para contatar um líquido com um vapor Um meio 900 para contatar um líquido com um vapor (não mostrado) é um meio 950 para agitar um líquido (não mostrado) ou um meio 960 para circular um líquido (não mostrado). O meio 950 para agitar um líquido significa um aparelho para agitar, bombear, ou movimentar de outra maneira um líquido num recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não mostrado) ou um recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não mostrado) ) de uma unidade de fermentação 200 (não mostrada) ou num compartimento de extração (por exemplo, 81 a 83 e 181 a 185) de um espaço volumétrico fechado do recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) de uma unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) . Um meio 950 preferido para agitar um líquido é um motor de agitação convencional (por exemplo, 25), uma haste de agitação (por exemplo, 29), e impulsor (por exemplo, 28) de um conjunto de agitação 27. Um meio 960 preferido para circular um líquido é um conjunto de conduíte de fluido (por exemplo, 164, 166, e 163), bomba de líquido (por exemplo, 165), e bocal (por exemplo, 162) mostrado na Figura 2. São exemplos de bombas de líquido apropriadas (por exemplo, 165), as bombas do tipo de disco fabricadas pela Discflo Corporation Inc., Santee, Califórnia, EUA e bombas centrífugas de impulsor rebaixado de cisalhamento reduzido tais como aquelas fabricadas por Durco International Inc., Flowserve Corporation, Irving, Texas, EUA.

Processos gerais de fermentação O aparelho e processo da invenção dissociam condições de processo de fermentação de condições de processo de extração, permitindo assim operação tanto de fermentação como de extração em suas respectivas condições mais 5 eficazes. Mais especificamente, o aparelho e processo da invenção permitem operação de um recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211, não mostrado) em pressão atmosférica (permitindo dessa forma evitar dificuldades ao se operar 10 um grande recipiente de fermentação em pressões subatmosféricas incluindo requisitos para construção de recipiente caro e o potencial para infiltração de ar e contaminação do caldo de fermentação por um micróbio competidor presente no ambiente externo), e ao mesmo 15 tempo permitem operação de unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) numa pressão diferente e temperatura otimizada para bom desempenho de extração sem incorrer em dano para os micróbios do caldo de fermentação.

A injeção de um gás de extração num recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) pode ser ajustada para manter a pressão de modo controlável no recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) acima de uma pressão mínima 25 que possa causar dano celular devido à mudança súbita de pressão experimentada pelo micróbios que entram no recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) numa corrente de caldo de fermentação de um recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de 30 fermentação padrão 211 (não mostrado) ou um recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não mostrado)). Ao mesmo tempo a temperatura pode ser mantida de modo controlável na ou abaixo da temperatura máxima (tipicamente 35°C) que um micróbio particular pode tolerar. Assim, opera-se uma 35 unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) em condições de máxima eficácia acima da pressão mínima e abaixo da temperatura máxima que um micróbio pode tolerar. Se não for injetado nenhum gás de extração no recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2), a unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) opera,

preferivelmente, em condições de ebulição para um caldo de fermentação numa dada pressão operacional no recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2).

Comparada a uma pressão de extração de gás em pressão atmosférica, a operação em pressão subatmosférica da unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) permite usar menos gás de extração e melhora a eficácia da extração. Para extração de gás, a eficácia da força motriz de volatilidade relativa é reduzida pela razão de pressão de vapor d'água dividida pela pressão total. Assim, operar uma unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) em pressão subatmosférica é mais eficaz em termos de desempenho de extração que operar uma unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) em pressão atmosférica.

O design de multicompartimentos horizontais descrito anteriormente de um recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) da unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) provê queda 25 muito menor de pressão de passagem de vapor entre um recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não mostrado) ou um recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não mostrado) ) e o recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 30 da Figura 2) comparada com aquela que se esperaria entre o recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222) e uma torre acondicionada convencional 1001 (não mostrada) ou uma torre de extração de bandejas 1002 (não mostrada) em condições de processo semelhantes.

0 design de multicompartimentos horizontais também facilita a injeção de gás de extração usando um soprador 350 (não mostrado), em conexão operativa e em comunicação fluida com uma abertura de vapor (por exemplo, 46, não mostrada, e 141) do recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) . 0 soprador 350 gera uma pressão de topo muito baixa, quando o gás de extração não necessita superar uma queda de pressão significativa no seu caminho através do recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) . Isto permite o uso de um soprador 350 barato com mínimo consumo de energia.

0 design de recipiente de extração de multicompartimentos horizontais também é mais resistente à incrustação comparado aos designs de uma torre acondicionada convencional 1001 e de torre de extração de bandejas 1002. Um recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) de uma unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) pode tolerar acumulação muito maior de depósitos de biomassa nas superfícies internas (por exemplo, 62 e 61) antes do desempenho de transferência de massa ser

significativamente afetado negativamente.

Quando se emprega uma membrana de ultrafiltração 822 (não mostrada) num aparelho e processo da invenção, preferivelmente se opera a membrana de ultrafiltração 822 sem um aumento substancial (por exemplo, aumento substancial significando um aumento maior ou igual a 20%) na concentração de células de organismos dentro do caldo de fermentação num recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não mostrado) ou um recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não mostrado)) ou recipiente de membrana 811 (não mostrado) de modo a minimizar incrustações na membrana de ultrafiltração 822. Preferivelmente, para evitar dano potencial de um organismo devido à mudança súbita de pressão, as células dos organismos são confinadas dentro do recipiente de fermentação (por exemplo, 211 ou 222) ou do recipiente de membrana 811 e a pressão dentro do recipiente de fermentação (por exemplo, 211 ou 222) ou do recipiente de membrana 811 é mantida na ou acima da pressão mínima (por exemplo, em ou acima de 0,8 atm para Clostridium beijerinckii) tolerada pelo organismo. Mais preferivelmente, opera-se uma membrana de ultrafiltração 5 822 em concentrações celulares em caldo de fermentação num recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não mostrado) ou um recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não mostrado) ) tendo a membrana de ultrafiltração 822 disposta dentro dele ou 10 num recipiente de membrana 811 dentro de uma faixa de 10 g/L a 80 g/L, preferivelmente dentro da faixa de 20 g/L a 50 g/L.

Uma vez que o liquido clarificado derivado de caldo de fermentação não contém nenhuma ou contém somente uma pequena fração de células de organismo, a temperatura do líquido clarificado no recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) durante extração pode sr maior que uma temperatura máxima que o organismo pode tolerar (isto é, permanece viável). O líquido clarificado extraído pode retornar para um recipiente de fermentação (por exemplo, um recipiente de fermentação padrão 211 (não mostrado) ou um recipiente de fermentação fervida de novo 222 (não mostrado)) ou ser enviado para descarte. O líquido clarificado que retorna para o recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222) preferivelmente entra no recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222) e contata caldo de fermentação residual no recipiente de fermentação (por exemplo, 211 e 222), numa temperatura que não é tão elevada para o organismo, isto é, uma temperatura que não matará mais que 10% das células do organismo.

Alguns processos de fermentação produzirão uma mistura aquosa compreendendo um ou mais VOCs miscíveis em água (por exemplo, etanol, 2-propanol, 1,3-propanodiol, 1,4- 35 butanodiol, e acetona) . Um VOC miscível em água é um VOC que é completamente miscível em água na ausência de outro, um VOC menos miscível em água ou um soluto inorgânico dissolvido em água. Conseqüentemente, um meio 777 para induzir separação de fases de uma mistura líquida de VOC úmido em camada líquida de orgânicos e uma camada líquida aquosa (não mostrada) (meio 777 para induzir separação de fases), sendo que o meio 777 para induzir separação de fases está pelo menos em comunicação fluida com a mistura aquosa, que pode estar contida, por exemplo, num decantador 650. São exemplos de meio para induzir separação de fases, dissolver um sal inorgânico (não mostrado) (por exemplo, NaCl) na mistura aquosa para diminuir a solubilidade dos VOCs miscíveis em água e um extrator de líquido-líquido 700 (não mostrado), opcionalmente também empregar um misturador de líquido- líquido 709 (não mostrado) na linha entes de um decantador 650 (não mostrado).

Embora vários métodos alternativos de extração convencionais possam ser usados para remover VOCs de caldo de fermentação, a extração com a unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) do 20 aparelho inventivo da primeira incorporação é superior. Por exemplo, a injeção de gás pode ser praticada usando uma torre acondicionada convencional 1001 ou um extrator lateral de torre de bandejas 1002 em lugar de uma unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) . 25 Entretanto, a torre acondicionada convencional 1001 ou um extrator lateral de torre de bandejas 1002 pode ser operado ou em pressão atmosférica com um gás de extração (por exemplo, gás nitrogênio) ou a vácuo em pressão subatmosférica e condições de ebulição, mas sem um gás de 30 extração. A torre acondicionada convencional 1001 ou um extrator lateral de torre de bandejas 1002 não pode ser operado em pressão subatmosférica e condições de não ebulição com um gás de extração. Por outro lado, as unidades de VSS (por exemplo, 10 e 100) mostradas nas 35 Figuras 1 e 2 podem ser operadas em pressão subatmosf érica e condições de não ebulição com um gás de extração e dessa forma alcançam vantagens significativas que não podem ser obtidas com o extrator lateral de torre de bandejas ou acondicionada convencional.

0 aparelho e processo da invenção podem ser usados com qualquer processo de fermentação que produza um ou mais VOCs. Um processo inventivo da segunda incorporação é ilustrado ainda abaixo em relação a um processo de fermentação de ABE.

Ilustração com fermentação de acetona/l-butanol/etanol (ABE)

Para produção de 1-butanol num caldo de fermentação de ABE tipico usando Clostridium beijerinckii como o organismo, e um recipiente de fermentação padrão (por exemplo, 211, não mostrado) prefere-se um ou mais dos seguintes parâmetros de operação: uma concentração máxima 15 total de VOCs de cerca de 1,2% em peso, isto é, um máximo de 1,2 g de VOCs totais (isto é, peso de 1-butanol mais peso de etanol mais peso de acetona mais peso de outros VOCs, se houver) por 100 mL do caldo de fermentação; produtividade do organismo numa faixa comercialmente 20 desejável de cerca de 0,5 g a cerca de 4 g de butanol produzido por litro de caldo de fermentação por hora; inicia-se a extração quando a concentração média temporal de VOCs num caldo de fermentação no recipiente de fermentação padrão (por exemplo, 211) for de pelo menos 25 0, 1 g de peso total do pelo menos um VOC por 100 mL de caldo de fermentação (isto é, pelo menos 0,1 por cento em peso (% em peso)), mais preferivelmente de 0,1% em peso a 2,0% em peso, ainda mais preferivelmente de cerca de 0,3% em peso a 0,4% em peso; quando a concentração total de 30 VOCs num caldo no recipiente de fermentação padrão (por exemplo, 211, não mostrado) atingir um nível de, ou, preferivelmente de cerca de 1,0% em peso, uma corrente de caldo de fermentação de ABE será bombeado do recipiente de fermentação padrão (por exemplo, 211) para um 35 recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) de uma unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2), e, opcionalmente, o caldo de fermentação de ABE será bombeado de volta para o recipiente de fermentação padrão (por exemplo, 211); ajusta-se um taxa de fluxo de gás de extração para controlar a concentração média temporal de VOCs totais 5 (isto é, 1-butanol mais co-produtos de VOC) na fase liquida do caldo de fermentação de ABE no recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2), no recipiente de fermentação padrão (por exemplo, 211), ou em ambos, mais preferivelmente mantém-se a

concentração total média temporal de VOCs num caldo de fermentação no recipiente de fermentação padrão (por exemplo, 211) em menos que 0,5% em peso, mais preferivelmente na faixa de 0,8% em peso a 1,2% em peso durante a extração; ajusta-se para mais ou para menos, 15 quando necessário, um nivel do caldo de fermentação de ABE no recipiente de fermentação padrão (por exemplo, 211) manipulando uma taxa de fluxo de suprimento de nutrientes no recipiente de fermentação padrão (por exemplo, 211), uma purga de caldo de fermentação de ABE 20 do recipiente de fermentação padrão (por exemplo, 211) para descarte, ou uma corrente de caldo do recipiente de fermentação padrão (por exemplo, 211) para o recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2), ou qualquer combinação dos mesmos; semelhantemente, 25 quando necessário, pode-se ajustar para mais ou para menos um nível de caldo no recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) manipulando uma taxa de fluxo de caldo do recipiente de fermentação padrão (por exemplo, 211) no recipiente de extração (por 30 exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) , uma taxa de fluxo de caldo extraído que deixa o recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) e retorna para o recipiente de fermentação padrão (por exemplo, 211), uma taxa de fluxo de uma purga de caldo 35 extraído que deixa o recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) e enviada para descarte, ou qualquer combinação dos mesmos; uma concentração preferida de células de um organismo num caldo de fermentação de ABE no recipiente de fermentação padrão (por exemplo, 211) é de 20 g/L (grama por litro) a 120 g/L, mais preferivelmente de 40 g/L a 80 g/L; quando houver um caldo de fermentação de ABE não filtrado num recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2), o caldo de fermentação de ABE não filtrado no recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) será mantido numa temperatura de 20°C (grau Celsius) a 560°C, mais preferivelmente a 35°C; opera-se a unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) em pressões de cerca de 0,13 atm a cerca de 0,46 atm (isto é, de cerca de 100 mm Hg a 350 mm Hg); quando um meio de recompressão mecânica de vapor estiver em conexão operativa com uma abertura de vapor 46 ou 141 (não mostrada) de um recipiente de extração (respectivamente, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2), uma primeira bomba de vácuo/compressor 370 (não mostrada) aumentará a pressão da segunda porção de vapores superiores de cerca de 0,053 atm ou 0,066 atm (isto é, cerca de 40 ou 50 mm Hg) para produzir gases de VOC úmidos comprimidos, e a segunda bomba de vácuo/compressor 380 (não mostrada) aumentará a pressão de 0,16 atm até cerca de 1 atm para dar gases úmidos comprimidos; essencialmente, um gás de fermentação de ABE não filtrado é alimentado continuamente de um espaço volumétrico fechado do recipiente de fermentação padrão (por exemplo, 211) para um espaço volumétrico fechado do recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) numa taxa de fluxo de 7,6 L/min (Litro por minuto) a 76 L/min por 3790 litros de caldo de fermentação de ABE colocados no recipiente de fermentação padrão (por exemplo, 211); ou numa taxa de fluxo na faixa de cerca de

11 litros de caldo de fermentação por minuto (L/min) a 38 L/min (isto é, cerca de 3 galões por minuto (gal/min) a gal/min por 3790 litros (isto é, 1000 galões) de capacidade de recipiente de fermentação; quando se injetar um gás de extração proveniente de uma fonte de gás de extração 11 (não mostrada), a injeção será realizada numa taxa de fluxo ajustável do gás de extração que estiver sendo injetado para manter uma pressão no espaço volumétrico fechado do recipiente de extração (por exemplo, 78 da Figura 1 e 178 da Figura 2) de 0,066 atm a

0,33 atm; uma quantidade de gás de extração sendo injetado está na faixa de 1,7 quilograma de gás de extração por litro (kg/L) suprimento de extrator a 4,1 kg/L (isto é 3 libra por galão (lb/gal) a 7 lb/gal); e mantém-se um condensador de vapor/liquido 600 (não mostrado) em cerca de -2°C ou maior, preferivelmente em cerca de -1°C a cerca de 2°C; e opera-se uma unidade de VSS (por exemplo, 10 da Figura 1 ou 100 da Figura 2) numa fermentação de ABE numa pressão de 0,26 atm (isto é, 200 mm Hg) .

Para produção de 1-butanol num caldo de fermentação de ABE tipico usando Clostridium beijerinckii como o organismo, e um recipiente de fermentação fervida de novo (por exemplo, 222, não mostrado) prefere-se um ou mais dos seguintes parâmetros de operação: procedimentos de partida e parâmetros de operação para uma fermentação de ABE empregando um recipiente de fermentação fervida de novo (por exemplo, 222, não mostrado) são os mesmos procedimentos de partida e parâmetros de operação para uma fermentação de ABE empregando um recipiente de fermentação padrão 211 (não mostrado) exceto o que observado abaixo; quando a concentração de VOCs totais no caldo de fermentação de ABE no recipiente de fermentação fervida de novo 222 atingir um nível de cerca de 0,3% em peso a cerca de 0,4% em peso, a pressão no recipiente de fermentação fervida de novo 222 será reduzida gradualmente até começar a ebulição de um ou mais VOCs; uma vez iniciada a extração de VOCs, ajusta-se uma taxa de extração para manter a concentração total de VOCs no caldo de fermentação de ABE igual ou menor que 1,2% em peso, e maior ou igual a cerca de 0,5% em peso; mais preferivelmente em cerca de 0,8% em peso de VOCs totais; os parâmetros operacionais para a unidade de VSS (por exemplo, 10 na Figura 1 ou 100 na Figura 2) e para o condensador de vapor/liquido 600 (não mostrado) são tais 5 como descritos acima; para um caldo de fermentação a 35°C no recipiente de fermentação fervida de novo 222, a pressão no recipiente de fermentação fervida de novo 222 na qual inicia a ebulição corresponderá de cerca de 0,059 atm a cerca de 0, 066 atm (isto é, de cerca de 45 mm Hg a 10 50 mm Hg) ; nenhuma purga de nitrogênio ou de gás de fermentação (por exemplo, CO2) recircula através do recipiente de fermentação fervida de novo 222; e uma porção de gases de VOC úmidos parcialmente comprimidos que saem de uma primeira bomba de vácuo/compressor 370 15 (não mostrada) pode ser alimentada através de um trocador de calor (por exemplo, 214, não mostrado) no recipiente de fermentação fervida de novo 222 para resfriar os gases de VOC úmidos parcialmente comprimidos.

A operação do aparelho e processo da invenção podem ser demonstrada de modo confiável usando modelo de simulação. De modo geral, o desenvolvimento de modelos de simulação acurados de processos tais como os processos da invenção são bem conhecidos e ensinados em "Molecular Thermodynamics of Fluid-Phase Equlibria" ("Termodinâmica molecular de equilíbrios de fase fluida") por J. M. Prausnitz, R. N. Lichtenhaler, e E. Gomez de Azevedo, 3a edição, Prentice-Hall, Nova Iorque, 1999; e em "Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes" ("Análise, sintese e design de processos químicos") por R. Turton, R. C. Bailie, W.B. Whiting, e J. A. Shaeiwitz, 2a edição, Prentice-Hall, Nova Iorque, 2002. Algumas incorporações do aparelho da invenção compreendem, entre outras unidades, uma unidade de DWC 500 (não mostrada) . Uma unidade de DWC 500 pode ser simulada, projetada, e operada usando técnicas que são análogas às técnicas conhecidas para simulação, projeto, e operação de colunas de destilação padrão. Usando estas técnicas conhecidas na presente invenção, a unidade de DWC 500 pode ser tratada como um conjunto de colunas de destilação interconectadas dispostas dentro de um único invólucro ou coluna, tal como descrito por Mutalib, Abdul, e Smith ["Operation and 5 Control of Dividing Wall Distillation Columns. Part 1: Degrees of Freedom and Dynamic Simulation" ("Operação e controle de colunas de destilação de paredes divisórias. Parte I: Graus de liberdade de simulação dinâmica"), Chem. Eng. Res. Des., volume 76, pp. 308-318 (1998), e 10 "Operation and Control of Dividing Wall Distillation Columns. Part 2: Simulation and Pilot Plant Studies Using Temperature Control" ("Operação e controle de colunas de destilação de paredes divisórias. Parte 2: Simulação e estudos de planta-piloto usando controle de 15 temperatura"), Chem. Eng. Res. Des., volume 76, pp. 319- 334 (1998) ] .

Algumas incorporações do aparelho da invenção compreendem, entre outras unidades, uma unidade de PSA 400 (não mostrada). Simula-se a unidade de PSA 400 usando métodos bem conhecidos. 0 ciclo operacional de unidade de PSA baseia-se no bem conhecido ciclo de Skarstrom que utiliza dois recipientes ou leitos adensados contendo um adsorvente apropriado. Tal como descrito em "Gas Separation by Adsorption Processes" ("Separação gasosa por processos de adsorção") Ralph T. Yang, supra, o ciclo operacional de Skarstrom consiste de (1) pressurização de leito, (2) adsorção sob pressão, (3) purgação de contracorrente sob pressão reduzida, e (4) contra-purga em pressão reduzida. Cada leito progride através destas 4 etapas. Enquanto um leito está na linha adsorvendo água da corrente de suprimento, o outro leito está fora de linha sofrendo regeneração usando uma fração da corrente de produto orgânico seco. Tal ciclo de Skarstrom simples é satisfatório para simular uma unidade de PSA 400 porque somente um componente (água) de uma camada liquida de orgânicos é fortemente adsorvido.

Quando se simula um processo de fermentação de ABE usando uma unidade de PSA 400 contendo adsorvente de peneira molecular de 3 angstrom, a adsorção de 1-butanol, etanol e acetona, pode ser esquecida uma vez que as moléculas de butanol, etanol e acetona são muito maiores que os 5 tamanhos de poros de adsorvente de peneira molecular de 3 angstrom. Preferivelmente, a operação de unidade de PSA 400 é modelada admitindo que os vapores de fase gasosa comportam-se idealmente, que os perfis de concentração radiais podem ser ignorados, que a convecção de massa 10 domina a difusão de modo que a difusividade efetiva de todo os componentes pode ser ajustada para zero, e que somente a água é adsorvida pelo adsorvente na unidade de PSA 400. As aproximações de isoterma de adsorção são feitas usando a isoterma de Langmuir, A= 15 Cl*C2exp(b/T)*Ps/(1+C2*exp(b/T)*Ps), onde Cl, C2, e b são constantes, T é temperatura, Ps é a pressão de saturação de água, exp(x) é a função exponencial ex, e A é a quantidade de água adsorvida. Estas aproximações permitem simulação conveniente de um processo e resultados de 20 rendimento que são suficientemente acurados para demonstrar a eficácia da operação de unidade de PSA 400. As equações de modelo resultantes são rapidamente resolvidas usando um solver de equação diferencial parcial tal como FlexPDE por PDE Solutions, Inc., Spokane 25 Valley, Washington, EUA; ou caixa de ferramentas MATLAB® PDE por The MathWorks, Inc., Natick, Massachusetts, EUA. Elas também podem ser resolvidas usando qualquer solver de equação diferencial comum primeiro tornando discreto na dimensão z axila usando o método de linhas.

Ilustra-se ainda a invenção através do exemplo seguinte. Exemplo 1

Usa-se o software ASPEN PLUS™ (denominação comercial de AspenTech) de AspenTech Engineering Suite 12.1 (o Programa) para calcular desempenho de processo e 35 identificar especificações de design e condições operacionais preferidas para uma unidade de fermentação padrão 200 (não mostrada) mais uma unidade de VSS de agitação 10. A Figura 3 mostra o fluxograma de Aspen. Constrói-se a simulação de ASPEN PLUS™ para utilizar em modelos validados de equilíbrio vapor-líquido (VLE) e de equilíbrio Iiquido-líquido (LLE). Os modelos de VLE e LLE incluem acetona, butanol, etanol, e água, bem como gás inerte. Os resultados da simulação estão resumidos na Tabela I. Para estes cálculos, admite-se que a produtividade de fermentação de ABE é de 1,5 g de butanol produzido por litro de volume de recipiente de fermentação por hora, um valor típico. As condições operacionais e de design preferidas e o desempenho resultante são salientados, admitindo que a unidade de VSS 10 pode operar a 200 mm Hg sem danificar as células. O limite real de pressão pode ser determinado rapidamente através de experimento de rotina. Tabela I Resultados da simulação por ASPEN de fermentação de ABE com uma unidade de fermentação padrão

200 e unidade de VSS de agitação 10.

Produti¬ Razão de Razão de Razão de Razão de Fração Fração Fator de N0 de N] de Pres¬ Temp. de Temp. de vidade fundos de supri¬ supri¬ fração ponderai ponderai extração unidades estágios são extrator fundos extrator mento de mento de ponderai de de BuOH de BuOH de teóricos em de p/Supri- extrator extrator BuOH no em em transfe¬ estágio extrator mento de p/volume p/massa suprimento supri¬ líquido rência de ali¬ extrator de fer- de gás de p/extrator p/ mento deixando mentação mentador extrator fração p/extra¬ extrator de ponderai de tor extrator BuOH de líquido saindo do ext. g/L de peso/peso gal/min/ peso/peso Xent/Xsaída NTU NTS mm Hg 0C 0C caldo/h gal 1,5 0,9000 0,00995 11, 95 1, 94 0,004924 0,00254 0, 73 3,4 4 200 40, 0 49, 0 1,5 0,9850 0,02380 85, 67 1, 22 0,005130 0,00420 0, 19 1, 6 4 200 45, 6 62, 9 1,5 0,9850 0,01067 38, 45 1,73 0,005260 0,00304 0, 94 3,9 4 200 46, 9 60,1 1,5 0,9850 0,01350 23, 21 1, 49 0,005220 0,00351 0, 48 2,7 4 200 42, 5 55, 5 1,5 0,9850 0,01500 19, 50 1, 42 0,005155 0,00364 0, 47 2,7 4 200 39,5 52,7 1,5 0,9800 0,01250 13, 70 1, 61 0,004975 0,00304 0, 59 3, 0 4 200 39, 0 48,8 1,5 0,9990 0,12720 538, 9 1, 02 0,004899 0,00525 0, 03 0,4 4 200 40, 8 65,1 1,5 0,9980 0,08580 199, 4 1, 04 0,005340 0,00479 0, 07 0, 8 4 200 40,2 64, 4 1,5 0,9080 0,11510 133, 7 1, 00 0,004280 0,00416 0, 08 0,9 4 200 36, 5 63, 7 1,5 0,9000 0,00534 8,89 90, 1 0,004690 0,000052 2, 39 6, 0 4 200 53, 9 57, 0 1,5 0,9000 0,00534 4, 69 56,8 0,004720 0,000083 2,56 6,2 4 200 47, 2 50, 3 1,5 0,9000 0,00530 2, 19 24, 7 0,004819 0,000195 2,56 6,2 4 200 37, 5 38, 6 1,5 0,9000 0,00534 1,28 12, 0 0,005017 0,000420 2, 51 6,1 4 200 29, 8 28, 3 1,5 0,9500 0,00590 5, 34 4,6 0,005240 0,001128 1, 32 4,6 4 200 39, 3 43, 0 A unidade de fermentação 200 simulada no Exemplo 1 dá-se um volume gasoso de 1012 m3 e volume de trabalho de 810 m3 e se determina para ter uma taxa teórica de produção de butanol de 1200 kg de butanol por hora. Para a 5 simulação do Exemplo 1, usam-se métodos bem conhecidos de simulação de processo descritos por J. M. Prausnitz, R. N. Lichtenhaler, e E. Gomez de Azevedo [''Molecular Thermodynamics of Fluid-Phase Equlibria" ("Termodinâmica molecular de equilíbrios de fase fluida"), 3a edição, 10 Prentice-Hall, Nova Iorque, 1999] e R. Turton, R. C. Bailie, W.B. Whiting, e J. A. Shaeiwitz ["Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes" ("Análise, síntese e design de processos químicos") por 2a edição, Prentice-Hall, Nova Iorque, 2002] com o Programa, dados 15 de VLE e LLE validados por literatura obteníveis rapidamente, e propriedades físicas providas pelo Programa para construir uma simulação de um processo de fermentação de ABE de sistema quaternário (acetona, butanol, etanol, e água) usando o aparelho e processo da 20 presente invenção. Todos os dados de VLE e LLE validados de literatura são obtidos de The Dortmund Databank de propriedades físicas, que é obtenível de DDBST GmbH, Oldenburg, Alemanha (vide, por exemplo, o conjunto de números de Dortmund Databank: [3], [11], [384], [388], 25 [389], [392], [394], [552], [564], [565], [1134], [1464], [1593], [2121], [2338], [2349], [3262], [3861], [4550], [4551], [4802], [5616], [5778], [6681], [6696], [7349], [7824], [8092], [8209], [9570], [9571], [9572], [9576], [9579], [9580], [10582], [11767], [20749], [22417], e 30 [23689]). Os modelos de VLE e LLE incluem acetona, butanol, etanol, e água, cem como gás inerte. Desenvolve- se representação acurada do equilíbrio de fases usando modelos de equilíbrio de fase de coeficiente de atividade UNIQUAQ (UNIQUAC) e coeficiente de atividade de dois 35 líquidos não-aleatórios (NRTL) por regressão de dados de equilíbrio de fases de literatura, incluindo conjuntos de dados para sistemas binários e ternários. Desenvolvem-se modelos para condições de solventes diluídos presentes num caldo de fermentação de ABE, bem como para VLE e LLE mais concentrados existentes em equipamento de processamento a jusante, incluindo unidades de 5 destilação, condensadores de vapor/líquido 600, e separadores de fases líquido/líquido (por exemplo, decantadores, 650) . Na Tabela 2 estão listados valores de parâmetro de modelo NRTL e na Tabela 3 estão listados valores de parâmetro de modelo UNIQUAC. Tabela 2. Conjunto de parâmetros de Modelo NRTL Componente i Água Butanol Água Acetona Acetona Butanol Nome Componente j Acetona Água Etanol Butanol Etanol Etanol Unidade de K K K K K K temperatura Hii 0 -9,22757 3,4578 0 -0,3471 0 NRTL/1 au 0 21,58982 -0,8009 0 -1,0787 0 NRTL/1 bü 602,5584 715,4858 -586,0809 -43,1411 206, 59T3j 8,4365 NRTL/2 bü 317,5539 -2476,49 246,18 299,2181 479,05 33,483 NRTL/2 Cii 0,5343 0,252074 cn | O cn 0,3467 NRTL/3 ° LO o di-j 0 2,54E-03 0 0 0 0 NRTL/4 Sii 0 0 0 0 0 0 NRTL/5 eii 0 0 0 0 0 0 NRTL/5 fü 0 0,022577 0 0 0 0 NRTL/6 fji 0 -0,03105 0 0 0 0 NRTL/6 Tabela 3. Conjunto de parâmetros de Modelo UNIQUAC

Componente i Água Água Água Acetona Acetona Butanol Nome Componente j Acetona Butanol Etanol Butanol Etanol Etanol Unidade de K K K K K K temperatura aii -4,8338 -5,1730362 -2,4936 -0,442517 -0,1179 -4,727667 UNIQ/1 aU 8,6051 5,56845496 2,0046 4,74898161 0,6983 0,538254347 UNIQ/1 bij 1512,196 932,602831 756,9477 221,962329 -61,880 1051,38 UNIQ/2 bü -3122,58 714,580217 -728,971 -1895,5968 -234,67 0,466052255 UNIQ/2 cij 0 0 0 0 0 0 UNIQ/3 dij 0 0 0 0 0 0 UNIQ/3 ei j 0 3,63E-03 0 0 0 0 UNIQ/4 eji 0 0,01090271 0 0 0 0 UNIQ/4 fij 0 0 0 0 0 0 UNIQ/7 fji 0 0 0 0 0 0 UNIQ/7 Parâmetros binários tanto para modelo NRTL como para modelo UNIQUAQ sofrem regressão usando o sistema de regressão de dados (DRS) do Programa com máxima verossimilhança como a função objetivo. Utiliza-se o 5 algoritmo de Britt-Leucke de programa com o método de iniciação de Deming de Programa. Provêm-se, freqüentemente, estimativas iniciais para os parâmetros para auxiliar convergência. Freqüentemente, obtém-se estimativa inicial de dados de VLE-LIT ou VLE-IG 10 encontrados em The Dortmund Databank de propriedades fisicas. Também se usam fatores de proporcionalidade para aproximadamente mudar de escala os parâmetros para o intervalo [-1,1] para ajudar convergência. Determina-se que o modelo NRTL tem capacidade de predição limitada de 15 LLE para o sistema quaternário do Exemplo 1. Conseqüentemente, parâmetros de NRTL para sistemas de butanol + água, acetona+butanol e etanol+butanol sofrem regressão usando não apenas dados binários de VLE e LLE, mas também dados ternários de VLE e LLE. Entretanto, o 20 DRS tem dificuldade de convergir parâmetros de NRTL, usando-se então no lugar o modelo UNIQUAC, que converge muito mais rapidamente quando se usam muitos conjuntos de dados diferentes. Usa-se NRTL para sistemas que são praticamente binários, isto é, sistemas que contêm duas 25 espécies predominantes que compreendem pelo menos 95% da massa total do sistema. Para sistemas ternários e quaternários, usa-se o modelo UNIQUAC. Exemplos de um conjunto de dados resultantes de modelo NRTL e UNIQUAC para dados de literatura de conjunto [2121] de Dortmund 30 Databank estão mostrados graficamente na Figura 4 . Referindo-se à Figura 4, dados experimentais (isto é, dados de literatura de conjunto [2121] de Dortmund Databank) para um sistema quaternário compreendendo acetona, etanol, butanol, e água são plotados usando um 35 simbolo de losango cheio, dados experimentais de LLE (isto é, dados de literatura de conjunto [2121] de Dortmund Databank) para um sistema ternário compreendendo acetona, butanol, e água são plotados com um símbolo de losango vazio, dados calculados de UNIQUAC são plotados com uma linha contínua, dados calculados de NRTL são plotados com uma linha pontilhada, e se desenham linhas tracejadas entre dados plotados.

Descreveu-se a invenção com referência a várias técnicas e incorporações preferidas e específicas. Entretanto, deve-se entender que podem ser feitas muitas variações de modificações embora mantendo o espírito e a abrangência da invenção.

Claims

1. Aparelho de fermentação, caracterizado pelo fato de compreender uma unidade de fermentação e uma unidade de extração lateral a vácuo (VSS); a unidade de fermentação compreende um recipiente de fermentação, o recipiente de fermentação tem uma superfície externa e uma superfície interna, as superfícies do recipiente de fermentação estão espaçadas, e geralmente paralelas, entre si a fim de definir um espaço volumétrico fechado, o recipiente de fermentação define lá dentro pelo menos duas aberturas, uma primeira abertura de fluido e uma segunda abertura de fluido, as pelo menos duas aberturas estão em comunicação fluida com o espaço volumétrico fechado; a unidade de VSS compreende um recipiente de extração, o recipiente de extração tem uma superfície externa e uma superfície interna, as superfícies de recipiente de extração estão espaçadas, e geralmente paralelas, entre si a fim de definir um espaço volumétrico fechado; o recipiente de extração dispõe lá dentro dois ou mais compartimentos de extração lado-a-lado, cada compartimento de extração está separado de um compartimento de extração adjacente por um membro de divisão vertical; pelo menos uma porção de fundo de cada membro de divisão vertical ou define lá dentro uma abertura de passagem de líquido ou está espaçada de uma porção de fundo do recipiente de extração a fim de definir um conduíte de passagem de líquido entre a porção de fundo do membro de divisão e a porção de fundo do recipiente de extração, ou uma combinação dos mesmos; pelo menos uma porção de topo de cada membro de divisão vertical ou define lá dentro uma abertura de passagem de vapor ou está espaçada de uma porção de topo do recipiente de extração a fim de definir um conduíte de passagem de vapor entre a porção de topo do membro de divisão e a porção de topo do recipiente de extração, ou uma combinação dos mesmos; os compartimentos de extração estão em comunicação fluida seqüencial entre si, compartimentos de extração adjacentes estão em comunicação fluida entre si via um conduíte de passagem de líquido, uma abertura de passagem de líquido, ou uma combinação dos mesmos, e via um conduíte de passagem de vapor, uma abertura de passagem de vapor, ou uma combinação dos mesmos; o recipiente de extração define lá dentro pelo menos quatro aberturas, uma terceira abertura de fluido, uma abertura de gás, uma abertura de vapor, e uma primeira abertura de agitação, cada uma das pelo menos quatro aberturas está em comunicação fluida com o espaço volumétrico fechado do recipiente de extração; a primeira abertura de fluido do recipiente de fermentação está conectada operativamente à terceira abertura de fluido do recipiente de extração para estabelecer comunicação fluida entre o recipiente de fermentação e o recipiente de extração.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender ainda um ou mais componentes adicionais selecionados do grupo consistindo de: um soprador, uma primeira bomba de vácuo/compressor, uma segunda bomba de vácuo/compressor, um condensador de vapor/líquido, um decantador, um extrator de líquido- líquido, um meio para separar pelo menos um composto orgânico volátil de água (meio separador), uma unidade de coluna de destilação com parede divisória (DWC), uma membrana de ultrafiltração, e um recipiente de membrana, sendo que o soprador, a primeira bomba de vácuo/compressor, a segunda bomba de vácuo/compressor, o condensador de vapor/líquido, o decantador, o extrator de líquido-líquido, o meio separador, e a DWC operam, independentemente, em conexão e comunicação fluida com a abertura de vapor do recipiente de extração; a membrana de ultrafiltração está disposta dentro do recipiente de membrana ou o recipiente de membrana está ausente e a membrana de ultrafiltração está disposta dentro do recipiente de fermentação; o recipiente de membrana opera em conexão e comunicação fluida com a primeira abertura de fluido do recipiente de fermentação e com a terceira abertura de fluido do recipiente de extração; a comunicação fluida se estabelece entre o recipiente de fermentação, o recipiente de extração e o um ou mais componentes adicionais.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de o meio para separar pelo menos um composto orgânico volátil de água compreender uma unidade de adsorção com modulação de pressão (PSA).

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de o um ou mais componentes adicionais compreenderem a primeira bomba de vácuo/compressor, a segunda bomba de vácuo/compressor, o condensador de vapor/líquido, o decantador, a unidade de PSA, e a unidade de DWC, a abertura de vapor do recipiente de extração estar em conexão operativa seqüencial e em comunicação fluida com, a primeira bomba de vácuo/compressor, a segunda bomba de vácuo/compressor, o condensador de vapor/liquido, o decantador, a unidade de PSA, e a unidade de DWC.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o recipiente de extração e o recipiente de fermentação definirem, cada um deles, uma abertura de fluido de retorno, a abertura de fluido de retorno estar em conexão operativa e em comunicação fluida com a abertura de fluido de retorno do recipiente de fermentação.

6. Processo, caracteri zado pelo fato de compreender as etapas de: dispor um caldo de fermentação no espaço volumétrico fechado de um recipiente de fermentação de um aparelho conforme definido na reivindicação 1, o caldo compreendendo água, uma pluralidade de células de um organismo, e um suprimento de nutrientes; permitir que o suprimento de nutrientes seja fermentado pelo organismo para produzir pelo menos um composto orgânico volátil (VOC) ; e extrair pelo menos um VOC do caldo de fermentação.

7. Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de cada um do pelo menos um VOC ter um peso molecular menor que 250 g/mol (grama por mol) .

8. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de cada um do pelo menos um VOC ser selecionado, independentemente, do grupo consistindo de: HO-alquila de (Ci-C8); HO-alquileno de (C2-C8)-O- alquila de (Cx-C4); alcanona de (C3~C8) ; HO-alcanona de (C3-C8); alquila de (Ci-C8)-C (O) 0-alquila de (C1-C4); [oxo- alquila de (C3-C8)]-C (O) 0-alquila de (Ci-C4); alquileno de (C0-C6) - [C (0) 0-alquila de (Ci-C4)J2; 0-[alquila de (C1- C4) ]2; e [oxo-alquila de (C2-C4)] -0-alquila de (Ci-C4).

9. Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de o organismo ser selecionado do grupo consistindo de: Acetobacter, Alcaligenes, Arthrobaeter, Bacillus, Brevibaeterium, Candida, Clostridiumf Corynebaeterium, Enterococcusf Erwinia, Eseheriehia, Flavobaeterium, Glueonobaeter, Hansenula, Klebsiella, Lactobacillus, Methylobaeterium, Mierococeus, Myeobaeterium, Noeardia, Paenibaeillus Piehia, Pseudomonas, Rhodoeoeeus, Saccharomyees, Salmonella, Thermoanaerobaeter, Xanthobaeter, e Zymomonas.

10. Processo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de compreender ainda a etapa de fornecer o caldo de fermentação não-filtrado do espaço volumétrico fechado do recipiente de fermentação para o espaço volumétrico fechado do recipiente de extração; sendo que o organismo é Clostridium acetobutylicum ou Clostridium beijerinckii; as células do organismo no caldo de fermentação no recipiente de fermentação estão numa concentração de 20 g/L (grama por litro) a 120 g/L; a concentração total em média de tempo é de 0,1% em peso a 2,0% em peso; essencialmente, o caldo de fermentação não-filtrado é fornecido continuamente do espaço volumétrico fechado do recipiente de fermentação para o espaço volumétrico fechado do recipiente de extração numa taxa de fluxo de 7,6 L/min (litro por minuto) a 76 L/min, de caldo de fermentação disposto no recipiente de fermentação.