ES2973252T3 - Procedimiento de fermentación - Google Patents

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Abstract

La invención se refiere a un proceso para fabricar un producto de fermentación que comprende - fermentar en condiciones de fermentación en un medio de fermentación acuoso en un reactor de fermentación una fuente de carbohidratos con un microorganismo capaz de convertir el carbohidrato en un producto de fermentación, en donde el producto de fermentación es una sal o un producto con un punto de ebullición superior al punto de ebullición del agua, - durante el proceso de fermentación, retirar parte del medio de fermentación que comprende biomasa del reactor de fermentación en forma de una corriente de reciclaje, - proporcionar la corriente de reciclaje que comprende biomasa a un recipiente a presión en el que la presión se selecciona de manera que la temperatura de la corriente de reciclaje disminuya con un valor de 1-8°C, en comparación con la temperatura del medio de fermentación en el reactor de fermentación, por la evaporación del agua - reciclando la corriente de reciclaje enfriada al reactor de fermentación. Se ha descubierto que el proceso según la invención permite obtener un perfil de temperatura homogéneo del medio de fermentación con una aparición limitada de puntos calientes o fríos dentro del reactor. Se ha descubierto que esto da como resultado un rendimiento de fermentación mejorado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento de fermentación
La presente invención se refiere a un procedimiento de fermentación que comprende la fermentación de una fuente de carbohidratos en condiciones de fermentación con un microorganismo.
Los procedimientos de fermentación en los que una fuente de carbohidratos se fermenta en condiciones de fermentación con un microorganismo capaz de convertir el carbohidrato en un producto de fermentación son conocidos en la técnica, y se aplican para fabricar una variedad de productos de fermentación.
Se ha descubierto que pueden surgir problemas durante los procedimientos de fermentación a escala industrial, especialmente cuando se trata de grandes volúmenes de reactores, temperaturas de fermentación relativamente altas y concentraciones elevadas de biomasa y productos de fermentación. Esto se debe a que en estas situaciones se ha comprobado que es difícil mantener constante la temperatura en el recipiente de reacción en todo su volumen. Esto es importante por varias razones.
Por un lado, en lugares del recipiente del reactor donde la temperatura es relativamente baja, puede producirse la cristalización del producto de fermentación si éste tiene una solubilidad limitada en agua. Esto puede dar lugar a la formación de incrustaciones en superficies frías, como la superficie de los intercambiadores de calor, que suelen emplearse en los recipientes de fermentación. Esta formación de incrustaciones afecta negativamente al funcionamiento del intercambiador de calor. Además, la cristalización del producto de fermentación en superficies frías también conduce a la formación de cristales con estructura no homogénea, lo que no es deseable.
Además, los puntos fríos en la unidad de fermentación pueden afectar a la capacidad de producción de microorganismos en ese lugar del reactor. Por lo general, los microorganismos tienen una temperatura óptima de producción, y cuando se encuentran a una temperatura inferior a ese valor, su actividad disminuirá, lo que, por supuesto, no es deseable.
Por el contrario, en lugares de la unidad de fermentación donde la temperatura es relativamente alta, también pueden obtenerse efectos indeseables. En particular, las temperaturas demasiado elevadas pueden provocar de nuevo una disminución de la actividad del microorganismo. Además, las altas temperaturas pueden dar lugar a la formación de productos secundarios indeseables.
En la técnica, los procedimientos de fermentación con control de temperatura en los que se trata de grandes volúmenes de reactor, temperaturas de fermentación relativamente altas y altas concentraciones de biomasa y productos de fermentación se han llevado a cabo a menudo proporcionando intercambiadores de calor en el reactor en combinación con elementos homogeneizadores como agitadores. Sin embargo, se ha comprobado que estos elementos no siempre son adecuados. Como se ha descrito anteriormente, la incrustación del producto de fermentación con solubilidad limitada en los intercambiadores de calor es un problema, al igual que la formación de puntos fríos. Otro problema es que la adición de intercambiadores de calor resta volumen libre al reactor y, si se requiere una refrigeración amplia, es posible que no haya espacio suficiente en el reactor para poder introducir la capacidad de refrigeración necesaria. Además, los intercambiadores de calor son caros y relativamente inflexibles en el sentido de que, una vez presentes, sólo pueden retirarse cuando el reactor se ha apagado.
Existe la necesidad en la técnica de un procedimiento de fermentación que garantice una temperatura de reacción constante en toda la unidad, también cuando se trata de grandes volúmenes de reactor, temperaturas de fermentación relativamente altas y altas concentraciones de biomasa y productos de fermentación. Se necesita además un procedimiento de fermentación en el que pueda obtenerse una temperatura de reacción homogénea con una inversión financiera limitada, y en el que el control de la temperatura sea flexible en el sentido de que la acción de enfriamiento pueda adaptarse directamente a las necesidades del procedimiento. La presente invención proporciona un procedimiento que resuelve estos problemas.
La invención se refiere a un procedimiento de fermentación que comprende
- fermentar en condiciones de fermentación en un medio de fermentación acuoso en un reactor de fermentación una fuente de hidratos de carbono con un microorganismo capaz de convertir los hidratos de carbono en un producto de fermentación,
- durante el procedimiento de fermentación, retirar parte del medio de fermentación que contiene biomasa del reactor de fermentación en forma de corriente de reciclado,
- suministrar la corriente de reciclado que comprende la biomasa a un recipiente a presión en el que la presión se selecciona de tal manera que la temperatura de la corriente de reciclado disminuye con un valor de 1-8°C, en comparación con la temperatura del medio de fermentación en el reactor de fermentación, por la evaporación del agua,
- reciclar el flujo de reciclado enfriado al reactor de fermentación.
Se ha descubierto que el procedimiento de acuerdo con la invención permite obtener un perfil de temperatura homogéneo del medio de fermentación con una aparición limitada de puntos calientes o fríos dentro del reactor. Se ha comprobado que esto mejora el rendimiento de la fermentación.
Una característica clave del procedimiento de acuerdo con la invención es el retiro de parte del medio de fermentación, y su suministro a un recipiente a presión, en el que se enfría hasta un grado especificado con evaporación de agua, y reciclando la corriente enfriada al reactor de fermentación.
Cabe señalar que el documento US2012/0220003 describe un procedimiento para la separación continua de materiales orgánicos de interés a partir de una fermentación, en particular una fermentación láctica o alcohólica, en el que el medio de fermentación se retira del fermentador y se suministra a un evaporador flash, donde los productos volátiles de fermentación se evaporan del medio de fermentación. Se indica que la biomasa se separa del medio de fermentación antes de ser suministrada al evaporador flash. Esto contrasta con la presente invención, en la que la biomasa no se retira del flujo de reciclado. Es una característica de la presente invención que debido a la relativa suavidad de la etapa de reducción de presión, como puede verse por la reducción limitada de temperatura, no se requiere la eliminación de la biomasa antes de la etapa de reducción de presión. Esto supone un ahorro sustancial, no sólo en los costes de adquisición de los aparatos necesarios para la etapa de separación de la biomasa, sino también en el mantenimiento de los mismos. Además, la etapa de separación de la biomasa, tal como se lleva a cabo en esta referencia, es en sí misma perjudicial para las propiedades de la biomasa.
El documento JP59039293 describe una fermentación alcohólica en la que parte del medio de fermentación se retira del reactor de fermentación, se somete a evaporación flash y se devuelve al reactor de fermentación. En esta referencia, la biomasa se inmoviliza en un soporte. Cuando la biomasa está inmovilizada en un soporte, la temperatura en el reactor de fermentación siempre será no homogénea.
En el documento US2012/0244587 describe la realización de una fermentación a presión reducida con agua que se evapora y se elimina del reactor durante la fermentación en una cantidad que es al menos el 20% del volumen de líquido presente en el reactor al inicio de la fermentación. Esta referencia no describe el retiro de parte del medio de fermentación del reactor de fermentación, el suministro de esta corriente a un recipiente a presión en el que la presión se selecciona de tal manera que la temperatura de la corriente de reciclado disminuye con un valor de 1-8°C en comparación con la temperatura del medio de fermentación en el reactor de fermentación, y el reciclado de la corriente al reactor de fermentación.
El documento US4349628 describe un procedimiento de fermentación para la fabricación de componentes orgánicos volátiles en el que continuamente una porción del medio de fermentación se suministra a un separador donde el etanol u otros componentes volátiles se evaporan a una temperatura que no es deletérea para el microorganismo sometiendo el medio de fermentación a una presión reducida y reciclando parte o toda la fracción restante al fermentador. El objetivo de este procedimiento es eliminar los componentes volátiles del sistema, ya que pueden ser tóxicos para el microorganismo. Se indica que el material a reciclar al reactor debe tener una temperatura lo más alta posible, a condición de que no afecte a la supervivencia del microorganismo. Esto difiere de la invención reivindicada en la actualidad, que utiliza la evaporación del agua de una fermentación de un producto con un punto de ebullición superior al del agua para controlar la temperatura.
La invención se discutirá con más detalle a continuación.
La invención se ilustra con referencia a las siguientes figuras, sin pretender estar limitados a los mismos o por mismos.
La Figura 1 ilustra una primera realización de la presente invención.
La Figura 2 ilustra otra realización de la presente invención.
En la Figura 1, se lleva a cabo un procedimiento de fermentación en un reactor de fermentación (1). Los nutrientes y la fuente de carbohidratos pueden proporcionarse a través de la línea (2). Se puede suministrar un compuesto neutralizante a través de la línea (3). Obviamente, estas líneas pueden combinarse, o los nutrientes y los hidratos de carbono pueden suministrarse a través de líneas separadas. También es posible que todos estos compuestos se añadan al reactor al principio de la reacción, en cuyo caso se puede prescindir de estas líneas. Durante el procedimiento de fermentación, parte del medio de fermentación que comprende la biomasa se extrae del reactor de fermentación a través de la línea (4), y se suministra al recipiente a presión (5). En el recipiente a presión se evapora el agua y se extrae a través del conducto (7). La corriente de reciclado enfriada resultante se recicla nuevamente al reactor de fermentación a través de la línea (6). El medio de fermentación puede extraerse del reactor a través del conducto (8). Esto puede hacerse de forma continua, intermitente o una vez finalizada la fermentación, dependiendo de la configuración del procedimiento.
La primera etapa en el procedimiento de acuerdo con la invención es fermentar una fuente de carbohidratos bajo condiciones de fermentación en un medio de fermentación acuoso en un reactor de fermentación con un microorganismo capaz de convertir el carbohidrato en un producto de fermentación, donde el producto de fermentación es una sal o un producto con un punto de ebullición superior al punto de ebullición del agua. La naturaleza del producto de fermentación no es crítica para el procedimiento de acuerdo con la invención.
En una realización, la presente invención se refiere a un procedimiento de fermentación para fabricar un producto que comprende una sal de un ácido. En estos procedimientos de fermentación, el microorganismo produce un ácido, y se añade base al medio de fermentación para mantener el pH dentro del rango requerido para el microorganismo en cuestión, convirtiendo el ácido total o parcialmente en su sal correspondiente.
Los ácidos que pueden fabricarse mediante el procedimiento de acuerdo con la invención incluyen ácidos carboxílicos, en particular ácidos carboxílicos seleccionados del grupo que consiste en ácidos mono-, di- y tricarboxílicos que tienen de 2 a 8 átomos de carbono. Los ejemplos incluyen el ácido láctico, el ácido propiónico, el ácido cítrico, el ácido málico, el ácido maleico, el ácido fumárico, el ácido adípico, el ácido succínico, el ácido tartárico, el ácido alfacetoglutárico, el ácido oxalacético, el ácido acético, el ácido acrílico, ácido furano-dicarboxílico (FDCA), ácido glucónico, ácido glicólico, ácido malónico, ácido 3-hidroxi propiónico, ácido butírico, ácido 3-hidroxi butírico, ácido valérico, ácido isovalérico, ácido caproico y/o sus sales. La invención puede ser particularmente atractiva cuando el producto de fermentación tiene una baja solubilidad en agua, por ejemplo, el caso de ácidos o sales de baja solubilidad. La invención ha resultado ser particularmente atractiva para las fermentaciones de lactato de magnesio y calcio, en particular el lactato de magnesio. La invención también puede resultar especialmente atractiva para el FDCA de magnesio y el succinato de magnesio.
Como se ha comentado anteriormente, durante la fermentación, la formación de ácido provoca una disminución del pH. Para contrarrestar esta situación y mantener el pH dentro del rango en el que puede actuar el microorganismo, se suele añadir una solución básica durante la fermentación. Las soluciones básicas adecuadas contienen soluciones que comprenden uno o más de (hidr)óxido de calcio, carbonato de calcio, bicarbonato de calcio, (hidr)óxido de magnesio, hidróxido de sodio, hidróxido de amonio, hidróxido de potasio, carbonato de magnesio, bicarbonato de sodio, bicarbonato de potasio. Dependiendo de la solubilidad de la base, la solución básica antes mencionada puede ser una verdadera solución en el sentido de que la base está completamente disuelta y la solución no contiene componentes sólidos. Sin embargo, la solución básica también puede ser un lodo, que contiene partículas sólidas además de la base disuelta. En la presente especificación, el término solución pretende abarcar ambas realizaciones.
Generalmente, la solución básica se añade en una cantidad eficaz para controlar el pH del caldo entre 3 y 9 aproximadamente, más específicamente entre 5,5 y 7,0 aproximadamente.
La naturaleza de la fuente de hidrocarburos no es crítica para la presente invención. La fuente de hidratos de carbono comprende generalmente uno o varios de los azúcares, almidón (licuado), jarabe de azúcar o suero de queso, glucosa, fructosa o galactosa, o disacáridos como sacarosa o lactosa, hexosas y pentosas en hidrolizados de origen vegetal, como residuos biológicos, madera, paja, etc.
El experto en la técnica puede seleccionar un microorganismo y unas condiciones de fermentación que permitan obtener el producto de fermentación deseado. Esto no requiere más explicación. El procedimiento de acuerdo con la invención ha resultado ser particularmente atractivo para los procedimientos que utilizan un microorganismo que tiene una temperatura óptima relativamente alta, ya que estos organismos pueden ser particularmente sensibles a los puntos fríos de la unidad. Además, los procedimientos de fermentación llevados a cabo a temperaturas más elevadas pueden ser especialmente sensibles al desbordamiento de la temperatura, por lo que requieren una refrigeración controlada. Por lo tanto, en una realización, la temperatura en el reactor de fermentación está en el rango de 30-65°C, en particular en el rango de 40-60°C. El calor en el medio de reacción tiene varias causas. Se genera en parte por el propio microorganismo, pero también por equipos como agitadores y bombas. También se añade con el agente de neutralización y los compuestos de alimentación. La presente invención permite una gestión adecuada de la temperatura del reactor.
El procedimiento de la presente invención puede ser particularmente atractivo para situaciones en las que la concentración de producto de fermentación presente en el medio de fermentación está cerca, en o por encima de la concentración de saturación. En este caso, el procedimiento de acuerdo con la invención evita la presencia de "puntos fríos" en el reactor, que podrían conducir a una precipitación incontrolada del producto de fermentación sólido. Esto podría provocar incrustaciones en los intercambiadores de calor, y/o la formación de precipitados (cristales de) producto sólido de fermentación con tamaño de partícula o propiedades cristalinas no homogéneos. En una realización, la concentración de producto de fermentación en el medio de fermentación es superior al 70% de la concentración de saturación, en particular superior al 80%, en algunas realizaciones superior al 90%, durante al menos parte del tiempo de operación del procedimiento de fermentación.
La invención puede ser particularmente atractiva cuando el medio de fermentación contiene producto de fermentación sólido durante al menos parte del tiempo de operación del procedimiento de fermentación, ya que las fermentaciones de este tipo son particularmente sensibles a la cristalización incontrolada, por ejemplo, en puntos fríos del reactor. En una realización, durante al menos el 20% del tiempo de operación del procedimiento de fermentación, el medio de fermentación contiene producto sólido de fermentación en una cantidad de al menos 1 vol.%, calculado como producto sólido de fermentación sobre el total del medio de fermentación.
En este caso, el punto de partida para el tiempo de operación del procedimiento de fermentación es el momento en que todos los componentes del medio se han suministrado al reactor, el medio de fermentación se ha llevado a las condiciones de fermentación, como el pH y la temperatura seleccionados, y el microorganismo se ha suministrado al reactor. En ese momento se han reunido todas las condiciones para que comience la fermentación. El punto final del tiempo de operación del procedimiento de fermentación es el momento en que la formación de producto se ha detenido esencialmente, es decir, cuando la producción en g/l.h. es inferior al 10% del valor máximo de producción en g/l.h. durante el procedimiento. Esto ocurrirá generalmente cuando la fuente de carbono se haya agotado.
El porcentaje de tiempo de operación durante el cual el producto sólido de fermentación está presente en el medio de fermentación dependerá de la fermentación de que se trate, y puede ser muy superior al 20%. Generalmente, cuando el producto sólido de fermentación está presente durante al menos parte del tiempo de operación, puede ser preferente que el producto sólido de fermentación esté presente durante una parte relativamente grande del tiempo de operación. En este caso se trata de una fermentación muy concentrada. El porcentaje del tiempo de operación durante el cual el producto sólido de fermentación está presente puede ser al menos del 40%, en algunas realizaciones al menos del 60%, a veces al menos del 70%, en algunas realizaciones específicas al menos del 80% e incluso al menos del 90%.
La cantidad de producto sólido de fermentación puede variar dentro de amplios márgenes. Si está presente, puede ser preferente que esté presente en una cantidad de al menos el 5%, en algunas realizaciones al menos el 10%. Como máximo general, se puede dar un valor del 50%, ya que puede ser difícil hacer funcionar una fermentación a concentraciones más elevadas por cuestiones de procesado. Puede ser preferente que la cantidad de producto sólido de fermentación sea como máximo del 40%, más en particular como máximo del 35%.
La concentración de producto sólido de fermentación en el medio de fermentación puede determinarse de acuerdo con el siguiente procedimiento: Se toma una muestra homogénea de 1 ml del caldo de fermentación con un tubo Eppendorf. La muestra se centrifuga durante 2 minutos a 1300 rpm. El porcentaje de volumen de la capa sólida se determina visualmente.
Esta capa sólida comprende tanto el producto sólido de fermentación como la biomasa. Para compensar la cantidad de biomasa, ésta puede determinarse por separado mediante procedimientos conocidos en la técnica, por ejemplo, determinando la densidad óptica a 600 nm de una muestra de caldo de fermentación de la que se han eliminado los cristales diluyéndola al 5 vol.% en una solución de EDTA 0,5N ajustada a pH 8 con KOH, y comparándola con la densidad óptica a 600 nm de soluciones estándar de biomasa. El porcentaje en volumen de producto sólido de fermentación puede determinarse entonces restando el porcentaje en volumen de biomasa del porcentaje obtenido en el procedimiento de centrifugado descrito anteriormente.
La fermentación se lleva a cabo en un reactor de fermentación. Se ha descubierto que los problemas asociados al calentamiento y enfriamiento no homogéneos son especialmente relevantes en las fermentaciones que se llevan a cabo en reactores de gran volumen. Por lo tanto, en una realización, el tamaño del reactor de fermentación es tal que el volumen de medio de fermentación en el reactor de fermentación es de al menos 100 m3. También pueden utilizarse reactores de fermentación de mayor tamaño. El volumen del medio de fermentación en el reactor de fermentación puede ser, por ejemplo, de al menos 200 m3, o incluso de al menos 400 m3. Como máximo general se puede mencionar un valor de 2000 m3.
El reactor de fermentación puede estar equipado con equipos convencionales, como agitadores u otros medios para homogeneizar el medio de fermentación. Puede ser preferente que el reactor no contenga intercambiadores de calor. Los intercambiadores de calor pueden interferir con la mezcla realizada para obtener un medio homogéneo, y es una característica de la presente invención que los intercambiadores de calor no son necesarios.
Durante el procedimiento de fermentación, parte del medio de fermentación que comprende biomasa se retira del reactor de fermentación en forma de corriente de reciclaje. La corriente de reciclado que comprende la biomasa se suministra a un recipiente a presión en el que la presión se selecciona de tal manera que la temperatura de la corriente de reciclado disminuye con un valor de 1-8°C, en comparación con la temperatura del medio de fermentación en el reactor de fermentación por la evaporación del agua. La corriente de reciclado enfriada se devuelve al reactor de fermentación.
Esta etapa de reciclado a través de un recipiente a presión tiene por objeto enfriar el medio de fermentación en el procedimiento de fermentación de manera homogénea. El grado de enfriamiento dependerá de la reducción de temperatura en el recipiente a presión y de la cantidad de medio de fermentación que se recicle a través del recipiente a presión.
El recipiente a presión funciona en condiciones tales que la temperatura de la corriente de reciclado disminuye entre 1 y 8°C, en comparación con la temperatura del medio de fermentación. Un descenso de la temperatura inferior a 1 °C es demasiado bajo para que se produzca un enfriamiento significativo. Un descenso de la temperatura por encima de 8°C puede provocar un perfil de temperatura no homogéneo en el reactor de fermentación cuando el medio se recicla en el mismo.
Para efectuar un control adecuado de la temperatura del medio de fermentación en el reactor de fermentación, puede ser preferente que la temperatura de la corriente de reciclado disminuya con un valor de 2-5°C, en comparación con la temperatura del medio de fermentación en el reactor de fermentación. La reducción de la temperatura en el recipiente a presión se obtiene por evaporación del agua. Está al alcance del experto en la técnica seleccionar las condiciones de presión que dan lugar a la disminución de temperatura deseada.
Se observa que, como en la presente invención el producto de fermentación es una sal o un producto con un punto de ebullición superior al punto de ebullición del agua, no se producirá evaporación del producto de fermentación en el recipiente a presión. La evaporación de los productos secundarios de bajo punto de ebullición puede tener lugar si se forman, pero el propósito del reciclado a través del recipiente a presión es la reducción de la temperatura y no la evaporación de los productos secundarios.
El volumen del recipiente a presión suele ser relativamente pequeño en comparación con el volumen del reactor de fermentación. Preferentemente está entre el 0,1 y el 10 por ciento del volumen del reactor de fermentación. Si el volumen del recipiente a presión es demasiado pequeño, será difícil obtener una refrigeración adecuada. Si el volumen del recipiente a presión es demasiado grande, el coste del aparato aumentará sin que se produzcan beneficios sustanciales para el procedimiento. El volumen del recipiente a presión puede estar comprendido, por ejemplo, entre 0,5 y 10 m3, en particular entre 1 y 5 m3.
El tiempo de reciclado es generalmente relativamente corto en el procedimiento de acuerdo con la invención. Es preferente un tiempo de reciclado más corto porque en la sección de reciclado el microorganismo se encuentra en condiciones menos controladas que en el reactor. Más en particular, el tiempo de reciclado, definido como el tiempo entre el retiro de una fracción del medio de fermentación del reactor de fermentación y la reintroducción de la fracción en el reactor después del enfriamiento es como máximo de 10 minutos, en particular como máximo de 5 minutos. No se espera ningún beneficio de un mayor tiempo de reciclado. El tiempo mínimo de reciclado depende de la configuración exacta del aparato, y no es crítico.
La frecuencia de reciclado puede adaptarse para obtener el control de temperatura requerido. Dependerá, entre otras cosas, del tamaño del recipiente a presión y del tamaño del reactor de fermentación. En una realización, la frecuencia de reciclado se selecciona de forma que por hora se recicle a través del recipiente a presión entre 0,1 y 10 veces el volumen del reactor de fermentación. Puede ser preferente reciclar de 0,5 a 5 veces el volumen del reactor de fermentación a través del recipiente a presión por hora, más en particular. 0,5 a 2 veces el volumen del reactor de fermentación por hora.
El procedimiento de fermentación puede ser un procedimiento por lotes, un procedimiento por lotes alimentados o un procedimiento continuo. El procedimiento de acuerdo con la invención puede ser un procedimiento por lotes, un procedimiento por lotes alimentado o un procedimiento continuo.
En una realización, el procedimiento de fermentación de acuerdo con la invención es un procedimiento por lotes. Dentro de la presente especificación, un procedimiento discontinuo se define como un procedimiento en el que la fuente de carbono se suministra al reactor de fermentación al principio de la reacción, y no se suministra (porciones sustanciales de) fuente de carbono durante el procedimiento.
En una realización, el procedimiento de fermentación de acuerdo con la invención es un procedimiento de alimentación por lotes. Dentro de la presente especificación, un procedimiento por lotes alimentados es un procedimiento en el que al menos la fuente de carbono se suministra al reactor de fermentación al principio de la reacción y durante la reacción, procedimiento que tiene un punto final predeterminado más allá del cual la fermentación no puede continuar debido, por ejemplo, a la acumulación de impurezas.
En una realización, el procedimiento de fermentación de acuerdo con la invención es un procedimiento de fermentación continuo. En el contexto de la presente especificación, un procedimiento de fermentación continua es un procedimiento en el que al menos la fuente de carbono se suministra al reactor de fermentación al principio de la reacción y durante la reacción, en el que el procedimiento no tiene un punto final predeterminado. En general, el volumen total del medio de fermentación se mantiene más o menos constante. Esto significa que, a la vista de la adición de fuente de carbono durante la fermentación, que da lugar a un aumento del volumen del medio de fermentación, el contenido del reactor se eliminará durante la fermentación. Puede tratarse de un producto de fermentación sólido y/o de un medio de fermentación líquido. En principio, una fermentación continua puede funcionar indefinidamente, aunque en algún momento se interrumpirá para el mantenimiento de la unidad. Los conceptos de fermentación por lotes, fermentación por lotes alimentados y fermentación continua son conocidos por el experto en la técnica.
En la Figura 1 se ha ilustrado la realización en la que el aparato necesario para la etapa de enfriamiento está conectado directamente al reactor de fermentación. También es posible integrar el aparato necesario para la fase de enfriamiento en una fase en la que se elimine el producto de la fermentación.
En la Figura 2 se ilustra una realización de este procedimiento. En la Figura 2, se lleva a cabo un procedimiento de fermentación en el reactor de fermentación (1). Los nutrientes y la fuente de carbohidratos pueden proporcionarse a través de la línea (2). Se puede suministrar un compuesto neutralizante a través de la línea (3). Como en el caso de la Figura 1, estas líneas pueden combinarse, o los nutrientes y los hidratos de carbono pueden suministrarse a través de líneas separadas. También es posible que todos estos compuestos se añadan al reactor al principio de la reacción, en cuyo caso se puede prescindir de estas líneas. Durante el procedimiento de fermentación, parte del medio de fermentación que comprende la biomasa se retira del reactor de fermentación a través de la línea (8). La línea (8) se divide en línea (81) y línea (82). La línea (81) conduce al recipiente a presión (5). En el recipiente a presión se evapora el agua (5) y se extrae a través del conducto (7). La corriente de reciclado enfriada resultante se recicla nuevamente al reactor de fermentación a través de la línea (6). La línea (82) contiene el medio de fermentación que se retira del procedimiento. Se puede procesar como se desee, por ejemplo, suministrándola a una unidad de separación de biomasa, seguida de otras etapas de procesamiento como la eliminación del producto sólido de fermentación, si está presente, y otros etapas conocidos en la técnica que no requieren mayor elucidación en la presente.
Por lo tanto, en una realización, la presente invención se refiere a un procedimiento en el que
- durante el procedimiento de fermentación, se retira del reactor de fermentación una corriente del medio de fermentación que contiene biomasa,
- una primera parte de la corriente se suministra al recipiente a presión en el que la presión se selecciona de tal manera que la temperatura de la corriente disminuye con un valor de 1-8°C en comparación con la temperatura del medio de fermentación en el reactor de fermentación por la evaporación del agua, y reciclando la corriente así formada al reactor de fermentación, y
- una segunda parte de la corriente no se suministra al recipiente a presión.
Como se ha indicado anteriormente, la segunda parte del flujo puede procesarse como se desee. Esta realización es especialmente atractiva cuando el procedimiento se realiza de forma continua.
El producto del procedimiento de fermentación es un caldo de fermentación, que es un líquido acuoso que comprende el producto de fermentación, la biomasa y, opcionalmente, otros componentes tales como impurezas como azúcares, proteínas y sales.
Si se desea, el caldo de fermentación puede someterse a una etapa de eliminación de biomasa, por ejemplo, una etapa de filtración, antes de su posterior procesamiento. Generalmente es preferente para mejorar la calidad del producto. Dependiendo del producto de fermentación producido, otra etapa intermedia puede ser la separación del producto de fermentación sólido, por ejemplo, carboxilato de magnesio, del caldo de fermentación, antes, después o simultáneamente con la eliminación de la biomasa, y opcionalmente someter el producto de fermentación a una etapa de lavado.
Dependiendo del producto de fermentación producido, otra etapa intermedia puede ser someter el caldo de fermentación a una etapa de concentración para aumentar la concentración de producto de fermentación en la composición antes de su procesamiento posterior. Esta etapa puede realizarse antes, después o simultáneamente a la eliminación de la biomasa.
Otras etapas intermedias, por ejemplo, etapas de purificación, pueden llevarse a cabo según se desee, como será evidente para el experto en la técnica.
Si el producto de fermentación es la sal de un ácido carboxílico, una etapa siguiente puede ser someter la sal del ácido carboxílico a una etapa de acidificación, para convertir la sal del ácido carboxílico en el ácido carboxílico. En esta etapa, la sal del ácido carboxílico se pone en contacto con un ácido inorgánico para formar una mezcla acuosa que comprende el ácido carboxílico y una sal resultante del catión de la sal del ácido carboxílico y un anión del ácido inorgánico. Los ejemplos de ácidos inorgánicos adecuados incluyen el ácido clorhídrico, el ácido nítrico, el ácido sulfúrico y el ácido fosfórico.
Esta etapa puede realizarse de varias maneras.
La etapa de acidificación se realiza normalmente poniendo en contacto la sal de carboxilato con una solución de ácido inorgánico. Sin embargo, cuando se utiliza ácido clorhídrico, también puede ponerse en contacto la sal de carboxilato con HCl gaseoso.
La sal de carboxilato puede estar en forma sólida y/o disuelta. En una realización, la sal de carboxilato se proporciona en forma sólida. En este caso, la etapa de acidificación se lleva a cabo poniendo la sal de carboxilato en contacto con una solución ácida. La ventaja de preparar la mezcla acuosa a partir de la sal de carboxilato en forma sólida es que así se puede obtener una concentración de ácido carboxílico muy elevada, como una concentración de al menos el 15 % en peso, en particular de al menos el 25 %, hasta, por ejemplo, el 50 % en peso o, por ejemplo, el 40 % en peso.
La sal de carboxilato también puede estar en forma disuelta, típicamente como parte de una solución acuosa. En este caso, la etapa de acidificación puede realizarse poniendo la sal de carboxilato en contacto con una solución ácida o un gas ácido.
La etapa de acidificación también puede realizarse en una mezcla de ácido carboxílico y sal de carboxilato. Dicha mezcla puede obtenerse, por ejemplo, en una fermentación con pH bajo. La mezcla puede ser, por ejemplo, una suspensión acuosa.
Cuando la acidificación de la sal de carboxilato se lleva a cabo poniéndola en contacto con una solución de un ácido inorgánico, es preferente que tenga una concentración de ácido lo más alta posible. Una concentración de ácido tan elevada dará lugar a una mezcla acuosa con una alta concentración de ácido carboxílico, lo cual es deseable. Por lo tanto, la solución ácida comprende al menos un 5 % en peso, más preferentemente al menos un 10 % en peso y aún más preferentemente al menos un 20 % en peso de ácido, basado en el peso total de la solución ácida.
La acidificación se realiza normalmente utilizando un exceso de ácido. El exceso es preferentemente pequeño, de modo que la mezcla acuosa obtenida no sea altamente ácida, lo que puede no ser deseable con vistas al procesamiento posterior de dicha mezcla. Por ejemplo, el exceso de ácido utilizado puede ser tal que la mezcla acuosa resultante tenga un pH 2 o inferior, preferentemente un pH de 0-1.
Si se utiliza HCl gaseoso, puede ponerse en contacto con una solución o suspensión de carboxilato. En particular, puede soplarse gas HCl a través de la solución o suspensión.
Preferentemente, la acidificación se lleva a cabo a una temperatura de 75 °C o inferior. A temperaturas más elevadas, resulta antieconómico adaptar los equipos a las duras condiciones de un entorno ácido a altas temperaturas.
Alternativamente al contacto de la sal del ácido carboxílico con un ácido inorgánico, también es posible convertir la sal del ácido carboxílico en el ácido contactando una solución de la sal con una resina de intercambio iónico, por ejemplo en una columna de intercambio iónico. También es posible convertir la sal del ácido carboxílico en el ácido carboxílico utilizando los principios de la cromatografía de lecho móvil simulado, o sometiendo la solución de la sal del ácido carboxílico a electrodiálisis.
La etapa de acidificación da lugar a la formación de un líquido acuoso que comprende ácido carboxílico y una sal. Este líquido acuoso se somete a una etapa de separación, opcionalmente después de que se hayan llevado a cabo etapas intermedias de procesamiento, como una etapa de concentración.
Las etapas de separación adecuadas son conocidas en la técnica. La naturaleza de la etapa a utilizar depende de la naturaleza y las propiedades de los ácidos.
Cuando el ácido carboxílico está presente en su totalidad o en parte como sólido en el líquido acuoso, la separación puede tener lugar utilizando procedimientos convencionales de separación sólido-líquido como filtración, centrifugación, etc.
Cuando el ácido carboxílico está presente en su totalidad o en parte como una fase orgánica separada en el líquido acuoso, la separación puede tener lugar utilizando procedimientos convencionales de separación líquido-líquido, por ejemplo, decantación, sedimentación, centrifugación, uso de separadores de placas, uso de coalescedores y uso de hidrociclones. Puede añadirse un extractante para mejorar la eficacia de la separación. También puede utilizarse una combinación de diferentes procedimientos y aparatos.
Cuando el ácido carboxílico está presente disuelto en el líquido acuoso, la separación puede tener lugar utilizando, por ejemplo, la extracción con un extractante adecuado.
Cuando un extractante está presente en el procedimiento de acuerdo con la invención, el extractante, que también puede indicarse como agente de extracción, es sustancialmente no miscible con agua. El uso de un extractante da lugar a la formación de un sistema bifásico durante la etapa de separación que comprende una capa orgánica líquida que comprende agente de extracción y ácido carboxílico y una capa acuosa que comprende cloruro de magnesio disuelto.
Los ejemplos de extractantes adecuados son hidrocarburos alifáticos y aromáticos, como alcanos y compuestos aromáticos, cetonas y éteres. También pueden utilizarse mezclas de varios compuestos.
Los ejemplos de alcanos alifáticos adecuados son los alcanos de cadena recta, ramificada o cíclica C5-C10, por ejemplo, octano, hexano, ciclohexano, 2-etil-hexano y heptano.
Los ejemplos de compuestos aromáticos adecuados son los compuestos aromáticos C6-C10, por ejemplo, tolueno, xilenos y etilbenceno.
Los ejemplos de cetonas adecuadas son las cetonas C5+, más en particular las cetonas C5-C8 en la presente invención. C5+ significa cetonas con al menos 5 átomos de carbono. El uso de cetonas C9+ es menos preferente. El uso de metil-isobutil-cetona (MIBK) ha resultado especialmente atractivo.
Los ejemplos de éteres adecuados son los éteres C3-C6, por ejemplo, metil tert-butil éter (MTBE) y dietil éter (DEE).
Tras la extracción, el ácido carboxílico puede separarse del extractante como se desee. En una realización, esto puede hacerse eliminando el extractante por evaporación. En otra realización, el ácido carboxílico puede recuperarse del extractante mediante una extracción con agua u otro líquido acuoso.
Después de separar el ácido carboxílico de la sal, el ácido carboxílico puede procesarse como se desee. Ejemplos de otras etapas de procesamiento son las etapas de purificación, como una o más de las siguientes: lavado, tratamiento con carbón activo, recristalización, destilación y filtración. Cuando el ácido carboxílico es ácido láctico, puede convertirse en lactida y PLA.
Como será evidente para el experto en la técnica, pueden combinarse preferencias para diversos aspectos de la presente invención, a menos que sean mutuamente excluyentes.
La presente invención se ilustra en más detalle mediante los siguientes Ejemplos, sin pretender estar limitados a los mismos o por mismos.
Ejemplo 1
Se llevó a cabo una fermentación de lactato en un recipiente de 300 L al que se acopló un recipiente a presión de 20 L para proporcionar refrigeración al caldo de fermentación. El pH se controló con una solución de hidróxido de magnesio. Durante la fermentación se aplicó una recirculación constante de 1,2m3/h. La corriente de reciclado se sometió a una presión de vacío de 14 kPa, lo que proporcionó suficiente refrigeración para el caldo de fermentación. El líquido se recirculó al caldo de fermentación, mientras que el condensado se desechó. La temperatura de la corriente de reciclado era 2,5°C inferior a la temperatura del caldo de fermentación en el recipiente de fermentación. La temperatura del caldo en el recipiente de fermentación se controló a la temperatura deseada con una variación de ± 0,1 °C. El tiempo de reciclado, definido como el tiempo transcurrido entre el retiro de una fracción del medio de fermentación del reactor de fermentación y la reintroducción de la fracción en el reactor, fue del orden de 1 minuto.
Este ejemplo muestra que mediante la operación de reciclado de la presente invención con la temperatura controlada de la corriente de reciclado a través de la evaporación en el recipiente a presión, la temperatura del caldo en el recipiente de fermentación podría controlarse a la temperatura deseada con una variación de ± 0,1°C.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento de fabricación de un producto de fermentación que comprende
- fermentar en condiciones de fermentación en un medio de fermentación acuoso en un reactor de fermentación una fuente de hidratos de carbono con un microorganismo capaz de convertir los hidratos de carbono en un producto de fermentación, en el que el producto de fermentación es una sal o un producto con un punto de ebullición superior al punto de ebullición del agua,
- durante el procedimiento de fermentación, retirar parte del medio de fermentación que contiene biomasa del reactor de fermentación en forma de corriente de reciclado,
- suministrar la corriente de reciclado que comprende la biomasa a un recipiente a presión en el que la presión se selecciona de tal manera que la temperatura de la corriente de reciclado disminuye con un valor de 1-8°C, en comparación con la temperatura del medio de fermentación en el reactor de fermentación, por la evaporación del agua
- reciclar el flujo de reciclado enfriado al reactor de fermentación.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la temperatura de la corriente de reciclado disminuye con un valor de 2-5°C, en comparación con la temperatura del medio de fermentación en el reactor de fermentación.
3. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el volumen del recipiente a presión está comprendido entre el 0,1 y el 10 por ciento del volumen del reactor de fermentación.
4. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el tiempo de reciclado, definido como el tiempo entre el retiro de una fracción del medio de fermentación del reactor de fermentación y la reintroducción de la fracción en el reactor es como máximo de 10 minutos, en particular como máximo de 5 minutos.
5. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el producto sólido de fermentación está presente en el medio de fermentación en el reactor de fermentación durante al menos parte de la fermentación.
6. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el volumen de medio de fermentación en el reactor de fermentación es de al menos 100 m3.
7. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la diferencia entre la temperatura más alta del medio de fermentación en el reactor de fermentación y la temperatura más baja del medio de fermentación en el reactor de fermentación es como máximo de 8°C, en particular como máximo de 5°C, más en particular como máximo de 3°C.
8. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que
- durante el procedimiento de fermentación, se retira del reactor de fermentación una corriente del medio de fermentación que contiene biomasa,
- una primera parte de la corriente se suministra al recipiente a presión en el que la presión se selecciona de tal manera que la temperatura de la corriente disminuye con un valor de 1-8°C en comparación con la temperatura del medio de fermentación en el reactor de fermentación por la evaporación del agua, y reciclando la corriente así formada al reactor de fermentación, y
- una segunda parte de la corriente no se suministra al recipiente a presión.
9. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el producto de fermentación es una sal de un ácido carboxílico seleccionado del grupo que consiste en ácidos mono-, di- y tricarboxílicos que tienen de 2 a 8 átomos de carbono.
10. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el producto de fermentación es la sal de un ácido carboxílico, que se somete a una etapa de acidificación, para convertir la sal del ácido carboxílico en el ácido carboxílico bajo la formación de una mezcla acuosa de un ácido carboxílico y una sal inorgánica.
11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, en el que el ácido carboxílico se separa de la sal inorgánica.
12. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11, en el que tras la separación del ácido carboxílico de la sal, el ácido carboxílico se somete a una etapa de purificación, por ejemplo, seleccionada del grupo de lavado, tratamiento con carbón activo, recristalización, destilación y filtración.
13. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10-12, en el que se lleva a cabo una etapa de eliminación de biomasa entre la etapa de fermentación y la etapa de acidificación.
14. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10-13, en el que el ácido carboxílico es ácido láctico, que posteriormente se convierte en lactida o polilactida.
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