BRPI0505299B1 - Processo de produção de etanol a partir do hidrolisado da fração hemicelulósica do bagaço de cana-de-açúcar em reator do tipo prensa - Google Patents

Description

PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ETANOL A PARTIR DO HIDROLISADO DA

FRAÇÃO HEMICELULÓSICA DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR EM

REATOR DO TIPO PRENSA

Campo da Invenção A presente invenção trata de um processo fermentativo para obtenção de etanol, utilizando bagaço de cana como matéria prima, em particular um hidrolisado da fração hemicelulósica do bagaço de cana, o qual é obtido por meio da hidrólise branda com ácido sulfúrico do bagaço de cana. O material hidrolisado sofre prensagem do material sólido, no próprio reator e o hidrolisado é submetido à neutralização com hidróxido de cálcio para favorecer o processo de fermentação, utilizando-se uma cepa da levedura Pichia Stipitis devidamente adaptada e aclimatada ao substrato principal do hidrolisado.

Fundamentos da Invenção O Brasil é um dos maiores produtores do mundo de etanol obtido a partir da cana-de-açúcar, gerando um excedente substancial de bagaço de cana. Esta enorme quantidade de bagaço de cana representa um grande potencial a ser utilizado como matéria prima para a produção de etanol por via biotecnológica.

Atualmente grande parte do bagaço de cana produzido no país é queimado para geração de energia nas próprias usinas. Entretanto há grandes excedentes (da ordem de 16 milhões de toneladas) que podem vir a constituir sérios problemas ambientais.

Por conseqüência, uma tecnologia para produção de etanol a partir desse bagaço excedente, além de contribuir para a solução de problemas ambientais, agregará valor a este excedente agroindústria!, gerando vantagens econômicas para o país.

Descrição da Técnica Relacionada Com o desenvolvimento da biotecnologia surgiram novas técnicas de manipulação de microrganismos capazes de torná-los mais resistentes e adaptáveis aos meios mais adversos. Assim, muitos estudos têm sido conduzidos com o objetivo de aproveitamento de subprodutos industriais e/ou excedentes agrícolas, especialmente matérias primas celulósicas, como palhas de cereais, sabugo de milho, raspas de diferentes tipos de madeira, bagaço de cana, etc., assim como, técnicas para a adaptação de espécies de microorganismos exclusivamente para a produção de álcool em escala industrial.

Trabalhos divulgados por M. D. Ferrari et alli. - “Ethanol production from eucalyptus wood hemicellulose hydrolysate by Pichia Stipitis” (John Wiley & Sons, Inc 1992); M. Moniruzzaman - “Alcohol fermentation of enzymatic hydrolysate of exploded rice straw by Pichia stipitis" (World Journal of Microbiology &

Biotechnology 11: 646-648, 1995); P. V. Gurgel et alli - “Evaiuation of sugarcane bagasse acid hydrolyzate treatments for xylitol production” (Braz. J. Chem. Eng., v.15, n 3 - São Paulo Sept.1998); J. N. Nigam -JEthanol production from hardwood spent sulfite líquor using an adapted strain of Pichia stipitis” (Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology 26: 145-150, 2001); Heizir F. de Castro,et alli. - “Alternative approach for utilízation of pentose stream from sugarcane bagasse by an induced flocculent Pichia stipitis” (Applied Biochemistry and Biotechnology, v. 107, ns. 1 - 3, April 2003, pp 547-556 (10)), mostram o esforço dos especialistas, em nível mundial, para atingirem seus objetivos. Contudo, os resultados, embora promissores, ainda são insatisfatórios, pois os rendimentos alcançados estão aquém do desejável. O processo de obtenção de etanol, objeto da presente invenção, representa um avanço importante para que as metas brasileiras possam ser alcançadas, ao mesmo tempo em que apresenta resultados que até então nao foram obtidos.

Segundo T. W. Jeffries - “GENETIC Engineering og Pichia Stipitis for the ímproved fermentation ofxyiose” (7* International Conference on Biotechnology in the Pulp and Paper Industry - Vancouver, BC, Canada, June 16-19, 1996), a faixa de rendimento normalmente alcançado nesses processos é de 0,3 a 0,44 g de etanol/ g de substrato como a xilose, e a produtividade varia no entorno de 0,5 g/L.h.

Com o processo da presente invenção foi possível alcançar produtividade de até 1,10 g/L.h. Isto representa um aumento de produtividade da ordem de 120% em relação à técnica anterior, o que torna o processo economicamente viável de aplicação industrial e resolve o problema ambiental decorrente do excesso de bagaço de cana residual.

Estas e outras vantagens tornar-se-ão evidentes à medida que se passa a descrever a invenção com maior detalhe.

Sumário da Invenção O processo de produção de etanol a partir de bagaço de cana, objeto da presente invenção, tem como etapas principais a hidrólise branda com ácido sulfúrico da fração hemicelulósica do bagaço de cana, seguida da extração do hidrolisado e sua posterior fermentação com a levedura Pichia stipitis. O processo pode ser realizado em diferentes condições de relação sólido:líquido, na etapa de hidrólise, particularmente na proporção 1:4 ou 1:2 (g bagaço seco: mL solução ácida). O processo se passa em um reator do tipo prensa especialmente projetado para esta finalidade, o que permite uma extração mais eficiente do hidrolisado, e, consequentemente, melhor desempenho do processo.

Conta ainda com a aclimatação da levedura Pichia stiptis o que aumenta os rendimentos e a produtividade do processo.

Descrição Detalhada da Invenção A primeira etapa do processo compreende a hidrólise branda com ácido sulfúrico a 1% do bagaço de cana visando-se a obtenção preferencial de pentoses, especialmente xiloses, principais componentes da hemicelulose. Sabe- se que a hidrólise mais violenta das fibras de celulose do bagaço leva à formação de produtos como furfural, metais pesados, terpenos, taninos, compostos fenólicos, etc., que inibem o crescimento da levedura.

Inicialmente a levedura Pichia stipitis foi aclimatada e adaptada ao meio fermentativo, utilizando-se a técnica de propagação celular seqüencial em meios de cultura em que o conteúdo de hidrolisado aumentava gradualmente.

Em linhas gerais, as etapas básicas do processo são as seguintes: a) homogeneizar o bagaço de cana com solução de ácido sulfúrico diluído (1%), na relação de sólido:líquido escolhida; b) hidrolisar o material homogeneizado em reator especial tipo prensa (o qual será descrito mais adiante), utilizando autoclave com pressão de 1 atm (correspondente a uma temperatura de 121°C) durante um tempo determinado em função da relação sólido:líquido, particularmente na faixa de 30 a 50 minutos; c) extrair a fase líquida (hidrolizado) no próprio reator tipo prensa; d) neutralizar o hidrolisado utilizando hidróxido de cálcio, e) filtrar o hidrolisado; f) fermentar o hidrolisado, utilizando uma concentração inicial de biomassa aclimatada de Pichia stipitis ou suplementada com a mesma, sob agitação e aeração.

Foram realizadas corridas utilizando-se relação sólido:líquido de 1.4 e 1.2 na hidrólise, e, a fermentação foi conduzida a 3°C, 500 rpm de agitação e uma taxa de aeração variando entre 0,02 e 0,05 wm, conforme a relação sólido:líquido selecionada, por cerca de 24 a 40 horas em biorreator do tipo BioStat E ®. Nas corridas utilizando relação sólido:líquido menores, o hidrolisado foi suplementado com concentração de biomassa aclimatada.

Os resultados médios são apresentados na Tabela 1 a seguir.

Tabela 1 Onde: A = relação sólido: líquido B = 100% açúcares fermentáveis produzidos e não consumidos C = concentração final de etanol D = rendimento, açúcar fermentável consumido, expresso em biomassa E = rendimento, açúcar fermentável consumido, expresso em etanol F = produtividade volumétrica e mássica do processo Ao final do processo de fermentação, o qual durou cerca de 36 horas, em escala laboratorial, utilizando-se a relação sólido:líquido de 1:2, conseguiu-se obter 100 L de álcool no meio fermentado por tonelada de bagaço hidrolisado.

Para a realização do processo de hidrólise e extração da fase líquida da mistura sólido:líquido, em condições técnicas mais apropriadas, foi dimensionado e construído um sistema reator-prensa de escala de laboratório, em aço inoxidável, com uma capacidade de 3,5 L, para evitar a contaminação do hidrolisado com metais durante o tratamento térmico. O reator compreende um corpo cilíndrico cuja altura possui dimensão próxima ao seu diâmetro, e, possuindo uma válvula, acoplada na parte inferior do corpo cilíndrico, para permitir a retirada do material hidrolisado. O reator é ainda provido com um sistema de filtração acoplável internamente ao mesmo, composto de duas peneiras e uma malha de aço inoxidável, o qual permite a separação das fases sólida e líquida.

Adicionalmente, duas tampas, ajustáveis ao reator por meio de parafusos, permitem que o mesmo seja utilizado tanto para a hidrólise quanto para a separação de fases. A primeira tampa é utilizada durante o processo de hidrólise, e consiste de uma placa de aço. A segunda tampa é empregada na etapa de separação dos sólidos, e trabalha acoplada ao sistema hidráulico de prensa, em associação com um êmbolo que atua como mecanismo de pressão.

Desta forma, praticamente todo o material hidrolisado é separado e recuperado para a etapa de fermentação seguinte. A utilização da levedura Pichia stipitis aclimata e adaptada, trouxe como principais vantagens a alta produtividade de etanoi com a redução do tempo de fermentação. A literatura cita tempos de fermentação da ordem de 75 horas; com o processo da invenção a fermentação se passa com resultados obtidos em 25 a 40 horas.

Claims (6)

1 PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ETANOL A PARTIR DO HIDROLISADO DA FRAÇÃO HEMICELULÓSICA DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR EM REATOR DO TIPO PRENSA caracterizado por compreender as etapas de: a) homogeneizar o bagaço de cana com solução de ácido sulfúrico diluído (1%), na relação de sólido:líquido escolhida; b) hidrolisar o material homogeneizado em reator especial tipo prensa, utilizando autoclave com pressão de 1 atm (correspondente a uma temperatura de 121°C) durante um tempo determinado em função da relação sólido:líquido; c) extrair a fase líquida no próprio reator tipo prensa, d) neutralizar o hidrolisado utilizando hidróxido de cálcio; e) filtrar o hidrolisado; f) fermentar o hidrolisado, utilizando uma concentração inicial de biomassa aclimatada de Pichia stipitis, sob agitação e aeração.

2. PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ETANOL A PARTIR DO HIDROLISADO DA FRAÇÃO HEMICELULÓSICA DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR EM REATOR DO TIPO PRENSA de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a relação de sólido:líquido escolhida estar na faixa de 1.4 a 1.2.

3 PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ETANOL A PARTIR DO HIDROLISADO DA FRAÇÃO HEMICELULÓSICA DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR EM REATOR DO TIPO PRENSA de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o tempo de hidrólise estar na faixa de 30 a 50 minutos.

4. PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ETANOL A PARTIR DO HIDROLISADO DA FRAÇÃO HEMICELULÓSICA DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR EM REATOR DO TIPO PRENSA de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a fermentação ocorrer entre 25 e 40 horas.

5. PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ETANOL A PARTIR DO HIDROLISADO DA FRAÇÃO HEMICELULÓSICA DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR EM REATOR DO TIPO PRENSA de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a produtividade atingir de 0,97 a 1,10 g/L.h.

6. REATOR DO TIPO PRENSA PARA PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ETANOL A PARTIR DO HIDROLISADO DA FRAÇÃO HEMICELULÓSICA DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR conforme descrito na reivindicação 1, caracterizado por compreender um corpo cilíndrico cuja altura possui dimensão próxima ao seu diâmetro, e, possuir uma válvula, acoplada na parte inferior do corpo cilíndrico, para permitir a retirada do material hidrolisado; prover com um sistema de filtração acoplável internamente ao mesmo, composto de duas peneiras e uma malha de aço inoxidável, o qual permite a separação das fases sólida e líquida; possuir uma primeira tampa, utilizada durante o processo de hidrólise, e que consiste de uma placa de aço, e uma segunda tampa, empregada na etapa de separação dos sólidos, e que trabalha acoplada a um sistema hidráulico de prensa, em associação com um embolo que atua como mecanismo de pressão.