BRPI0802559A2 - processo de pré-tratamento e hidrólise de biomassa vegetal lignocelulósica, e produto para a produção industrial de álcoois - Google Patents
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Abstract
PROCESSO DE PRé-TRATAMENTO E HIDRóLISE DE BIOMASSA VEGETAL LIGNOCELULóSICA, E PRODUTO PARA A PRODUçãO INDUSTRIAL DE áLCOOIS. A presente invenção se refere a processos de pré-tratamento e hidrólise de biomassa vegetal. O produto obtido pelo referido processo é substancialmente útil como insumo na produção industrial de etanol e/ou outros álcoois. Em um aspecto preferencial, o processo da invenção proporciona um processo compreendendo as etapas de: a) Pré-tratamento da biomassa vegetal lignocelulósica com uma solução de peróxido de hidrogênio alcalino; e b) Hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada utilizando misturas compreendendo celulases, <225>-glicosidases, hemicelulases, ou combinações das mesmas. Opcionalmente, o referido processo adicionalmente compreende uma etapa de fermentação dos carboidratos produzidos nas etapas anteriores, proporcionando a produção de etanol e/ou outros álcoois.
Description
Relatório Descritivo de Patente de Invenção
Processo de pré-tratamento e hidrólise de Biomassa VegetalLignocelulósica, e Produto para a Produção Industrial de álcoois
Campo da Invenção
A presente invenção se refere à processos de pré-tratamento e hidrólisede biomassa vegetal, bem como aos produtos assim obtidos. Maisespecificamente, o processo da invenção compreende etapas de pré-tratamento de biomassa vegetal lignocelulósica, na qual se utiliza peróxido dehidrogênio alcalino, seguido de hidrólise da biomassa pré-tratada efermentação do caldo obtido por este processo.
O processo de pré-tratamento da invenção proporciona uma redução dacristalinidade da celulose, facilitando assim a hidrólise posterior com o aumentodo rendimento de glicose. O presente trabalho proporciona condições brandasde temperatura e pressão, além de ausência de ácidos. Esta invenção propiciauma menor degradação de açúcares do que em processos ácidos, de formaque este processo apresente grande potencial comercial. Preferencialmente, abiomassa vegetal é bagaço e/ou palha de cana-de-açúcar e o produtofermentado é o etanol.
Fundamentos da Invenção
A possibilidade de produzir etanol a partir de materiais lignocelulósicostem recebido bastante atenção devido à elevada disponibilidade destesmateriais, sobretudo em território nacional, e também ao fato da rota deobtenção do etanol ser considerada "verde", quando comparada àquelaempregada na produção de combustíveis derivados do petróleo, como agasolina.
A celulose é um polímero linear de D-glicose composta por ligaçõesglicosídicas p-1,4, com unidades repetidas de celobiose, formando um materialde elevada cristalinidade insolúvel em água. O grau de polimerização situa-sena faixa de 7500-15000 moléculas de glicose presentes na cadeia celulósica.A celulose encontra-se organizada em fibras com diâmetro de 2,0-4,0nm. Estas fibras encontram-se associadas por ligações de hidrogênio e de vander Waals, formando uma estrutura molecular rígida (micro-fibrilas), comdiâmetros de 10 a 30 nm. A fração cristalina constitui entre 50 e 90% dacelulose. Nesta fração, os capilares são pequenos, o que dificultasobremaneira a penetração da matriz por enzimas (tamanho médio de 5 nm).Assim sendo, processos de hidrólise enzimática demandam um tratamentoprévio (pré-tratamento) da biomassa lignocelulósica, visando "abrir" a matrizcelulósica à ação das enzimas. As regiões de baixa cristalinidade (amorfas)existentes nas micro-fibrilas são susceptíveis à ação enzimática, dispensandopré-tratamento da biomassa.
Diferentemente da celulose, as hemiceluloses são polímerosheterogêneos ramificados de diferentes carboidratos unidos através dediferentes ligações químicas. Vários substituintes, por exemplo, grupos acetilae ácidos urônicos, encontram-se associados à cadeia principal ou às suasrespectivas ramificações, em estruturas de grau de polimerização variandoentre 20 e 300. As hemiceluloses não apresentam o grau de cristalinidade nema estrutura microfibrilar orientada da celulose, de modo que não exerceminfluência efetiva sobre as propriedades estruturais do tecido vegetal. Destemodo, apresentam maior susceptibilidade à hidrólise ácida e enzimática, bemcomo maior solubilidade em soluções aquoso-alcalinas. Geralmente, utiliza-seo termo holocelulose para se referir à fração sacarídica total (celulose ehemiceluloses) do tecido vegetal livre de extrativos.
As hemiceluloses encontram-se associadas à fração fenólica (lignina)através de ligações covalentes e à celulose via ligações de hidrogênio. Suacomposição varia conforme o material lignocelulósico. Madeiras moles("softwoods") tais como o Pinus radiata, contêm maiores teores de glico-mananas, enquanto as madeiras duras ("hardwoods"), como a bétula,apresentam maior teor de glico-xilanas. As hemiceluloses do bagaço de cana-de-açúcar são predominantemente constituídas de xilanas, embora tambémapresentem quantidades menores de glico-xilanas e arabino-xilanas.Juntamente com a celulose, a lignina é um dos mais abundantespolímeros orgânicos do reino vegetal. Usualmente, a lignina é vista como"cimento" ou "substância incrustante" do tecido vegetal, contribuindosignificativamente para a resistência mecânica do mesmo. Por outro lado,enquanto uma quantidade relativamente grande de microrganismos é capaz dedecompor e converter a celulose e as hemiceluloses, apenas um número muitoreduzido possui a capacidade de decompor efetivamente a lignina, o quejustifica a elevada resistência das plantas à deterioração.
A lignina é um polímero amorfo tridimensional complexo, de alto peso molecular, geralmente associado com a celulose e hemiceluloses através deligações éter e carbono-carbono. Sua estrutura química "in natura" é fortementearomática, de natureza fenólica, composta de unidades de fenil-propanoassociadas a grupos metoxila, hidroxilas fenólicas e alifáticas.
Devido à associação da celulose com as hemiceluloses e a lignina, oacesso dos diversos agentes químicos (e.g. ácidos e álcalis) e bioquímicos(e.g. enzimas, microrganismos) utilizados nos processos de hidrólise eprodução de etanol a partir de biomassas lignocelulósicas por via fermentativatorna-se bastante restrito.
Evidencia-se, portanto, a necessidade de se realizar um tratamento prévio (pré-tratamento) da biomassa lignocelulósica, visando removercomponentes não-celulósicos, predominantemente lignina, e eventualmenteparte da hemicelulose, de modo a favorecer a acessibilidade das enzimas àcelulose.
Muitas pesquisas vêm sendo feitas sobre pré-tratamento de materiaislignocelulósicos para facilitar a sua hidrólise com posterior fermentação dosaçúcares obtidos. Uma boa parte deles, no entanto, exige equipamentos carose o processo desenvolvido acaba gerando produtos inibitórios que afetam aetapa de fermentação. O pré-tratamento com peróxido de hidrogênio alcalino jáfoi estudado por alguns autores, no entanto não foi estabelecida a influênciadas variáveis de processo no rendimento em glicose. Além disso, não sedeterminou as condições e nem a viabilidade do processo quando o bagaço éusado da forma como está disponível nas usinas, sem ser moído ou peneirado.O processo de pré-tratamento por nós proposto apresenta altos rendimentosem glicose, alta remoção de hemicelulose e lignina, além de não haver anecessidade de peneirar ou moer previamente o bagaço. Outros fatoresimportantes no processo proposto são os baixos tempos e temperaturas dereação, o que minimiza custos do processo, além da utilização de reagentesbrandos que não geram resíduos tóxicos após o pré-tratamento, minimizandoassim problemas ambientais, minimizando a inibição na etapa de fermentaçãoe a degradação de açúcares.
Algumas tecnologias semelhantes à tecnologia da presente invençãoforam encontradas nas buscas de anterioridade, apresentando, no entantoalgumas diferenças marcantes em relação à nossa proposta. Gould (US4,806,475 e US 4,649,113) propôs o pré-tratamento de material lignocelulósicocom peróxido de hidrogênio alcalino, mas não apresentou estudos utilizando obagaço de cana-de-açúcar como alternativa de biomassa, além de se trabalharcom partículas de tamanho reduzido (2 mm). A presente invenção difere de taldocumento, entre outros fatores, por trabalhar com bagaço de cana-de-açúcar,estudo de diferentes combinações das variáveis do processo e estudosrelacionados com a variação do tamanho da partícula, sendo todos estesfatores avaliados no nosso estudo.
A patente norte-americana US 4,314,854 (Takagi) revela o uso de umacombinação de peróxido de hidrogênio e a adição de diferentes sais metálicospara observar o efeito no pré-tratamento em resíduos agrícolas tal comomadeira, palha de arroz, bagaço de cana-de-açúcar, palha de milho e resíduosde papel. A presente invenção difere do referido documento, entre outrosfatores, por não utilizar sais metálicos na etapa de pré-tratamento do material.
No pedido de patente de Mitrani e colaboradores (BR PI 9201830 A), oagente de pré-tratamento utilizado para o bagaço de cana-de-açúcar é umasolução de hidróxido de sódio a uma concentração entre 4-20 g/L e,eventualmente, peróxido de hidrogênio ou outros agentes de abrilhantamento,a uma temperatura entre 60-95°C. O objetivo foi utilizar a polpa em nível de 60-85% na formulação da pasta para o papel jornal e outros tipos de papeis epapelões. A presente invenção difere do referido documento, entre outrosfatores, por utilizar temperatura ambiente, não necessitando de aquecimento.Além disso, neste caso o peróxido de hidrogênio é o agente principal e nãoapenas um agente de branqueamento, além do produto final almejado ser oetanol e não papel.
No pedido de patente norte-americano US 2006/207734 A1 (Day eChung), o agente utilizado para pré-tratamento foi uma solução oxidativa dehipoclorito de sódio e peróxido de hidrogênio (5:1), utilizada para remover a lignina e hemicelulose de bagaço de cana-de-açúcar. A presente invençãodifere do referido documento, entre outros fatores, por não necessitar do usode hipoclorito de sódio.
Portanto, com base na análise dos antecedentes encontrados até opresente momento, observa-se que não houve antecipação ou sugestão dosensinamentos da presente invenção, havendo ainda a necessidade de umprocesso de pré-tratamento de material lignocelulósico para a produção deaçúcares e também de etanol que proporcione um elevado rendimento.
Sumário da Invenção
É um dos objetos da invenção determinar um novo processo industrialpara pré-tratamento de biomassa vegetal, de forma que esta possa serhidrolisada e subseqüentemente fermentada.
Em um aspecto preferencial, é desenvolvido um processocompreendendo as etapas de:
a) Pré-tratamento da biomassa vegetal lignocelulósica com uma solução
de peróxido de hidrogênio alcalino; e
b) Hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada utilizando misturascompreendendo celulases, p-glicosidases, hemicelulases, ou combinações dasmesmas.
O produto obtido pelo referido processo é substancialmente útil comoinsumo na produção industrial de etanol e/ou outros álcoois. É, portanto, outrodos objetos da invenção proporcionar um insumo compreendendo biomassavegetal lignocelulósica pré-tratada com uma solução de peróxido de hidrogênioalcalino, e hidrolisada enzimaticamente por celulases, p-glicosidases,hemicelulases, ou combinações das mesmas.
Em um aspecto preferencial, sendo, portanto, outro dos objetos dainvenção, é proporcionado um processo fermentativo que adicionalmentecompreende uma etapa de:
c) Fermentação dos carboidratos produzidos durante a etapa dehidrólise enzimática da biomassa pré-tratada.
Esses e outros objetos da invenção serão valorizados pelos versados natécnica, e serão melhor compreendidos a partir da descrição detalhada aseguir.
Breve Descrição das Figuras
Figura 1 mostra o rendimento em glicose após hidrólise do bagaço nãopeneirado e peneirado em cada um dos ensaios.
Figura 2 apresenta a superfície de resposta da massa de glicose (g/gbiomassa bruta) obtida do bagaço peneirado em função da concentração deperóxido e da temperatura, quando o tempo reacional de pré-tratamento émantido fixo em 6 h.
Figura 3 mostra o rendimento em glicose após hidrólise do bagaço nãopeneirado em cada um dos ensaios realizados na etapa de otimização.
Figura 4 apresenta a superfície de resposta para a massa de glicose(g/g biomassa bruta) obtida do bagaço não peneirado em função daconcentração de peróxido e da temperatura na etapa de otimização do pré-tratamento.
Figura 5 ilustra o perfil de hidrólise para as condições ótimas do pré-tratamento do bagaço não peneirado (tempo de reação de 1 h, temperatura de25°C e concentração de peróxido de 7,35%).
Descrição Detalhada da InvençãoA presente invenção proporciona um processo industrial para prétratamento de biomassa vegetal, de forma que esta possa ser hidrolisada esubseqüentemente fermentada. Em um aspecto preferencial, o processo dainvenção compreendendo as etapas de:
a) Pré-tratamento da biomassa vegetal lignocelulósica com uma solução
de peróxido de hidrogênio alcalino; e
b) Hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada utilizando misturascompreendendo celulases, (3-glicosidases, hemicelulases, ou combinações dasmesmas.
O produto obtido pelo referido processo é substancialmente útil comoinsumo na produção industrial de etanol, sendo, portanto, outro dos objetos dainvenção.
Os exemplos aqui descritos têm o intuito apenas de exemplificar osobjetos da invenção, e não de limitar sua aplicação ou escopo.
Biomassa Vegetal Lignocelulósica
Na presente invenção, a expressão "biomassa vegetal lignocelulósica"compreende qualquer tipo de planta, a saber: biomassa herbácea; cultivarescomo plantas C4 - pertencentes aos gêneros Lolium, Spartina, Panicum,Miscanthus, e combinações dos mesmos; bagaço de cana-de-açúcar (oriundo de moenda e/ou difusor) ; palhas de cereais como trigo, arroz, centeio, cevada,aveia, milho e similares (e.g. capim-elefante "switchgrass"); madeira; troncos etalos de bananeira; cactáceas e combinações dos mesmos. Além disso,materiais lignocelulósicos podem ainda compreender papelão, serragem, jornale resíduos agroindustriais ou municipais similares.
Biomassas vegetais de diferentes origens podem apresentar diferençasparticulares embora possuam composição química global relativamentesemelhante. Algumas variações na composição entre diferentes espécies eentre uma mesma espécie se devem a variabilidades ambientais e genéticas,ademais da localização do tecido vegetal em diferentes partes da planta.Tipicamente, cerca de 35-50% se constitui de celulose, 20-35% dehemiceluloses e cerca de 20-30% de lignina. O restante consiste emquantidades menores de cinzas, compostos fenólicos solúveis e ácidos graxos,além de outros constituintes, denominados extrativos. A celulose e ashemiceluloses do tecido vegetal se constituem de carboidratos estruturais (e.g.glicanas, xilanas, mananas), sendo geralmente denominadas de fraçãosacarídica. A lignina se constitui na fração fenólica da biomassa vegetal.
A presente invenção compreende um processo fermentativo que possuivantagens técnico-operacionais quando comparado a processos presentes noestado da técnica e envolve as seguintes etapas:
a) Pré-tratamento da biomassa vegetal lignocelulósica com uma soluçãode peróxido de hidrogênio alcalino;
b) Hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada utilizando misturascontendo celulases e/ou p-glicosidases e/ou hemicelulases; e
c) Fermentação dos carboidratos produzidos a partir da hidróliseenzimática da biomassa pré-tratada.
Etapa de Pré-tratamento
A etapa de pré-tratamento da presente invenção compreende o uso deperóxido de hidrogênio alcalino em um material lignocelulósico adequado,preferencialmente bagaço de cana-de-açúcar não moído.
Nesta invenção, peróxido de hidrogênio é usado em concentraçõesdeterminadas por planejamentos estatísticos com variação entre 1 e 9,83% v/ve conclui-se que esta variável é a que mais influencia no rendimento de glicoseapós a hidrólise, sendo seu valor ótimo 7,35% v/v. O hidróxido de sódio éutilizado para elevar o pH da solução de peróxido de hidrogênio até 11,5, o quefaz com que a solução se torne um agente efetivo na deslignificação esolubilização da hemicelulose.
O tempo e a temperatura também foram variáveis de processoestudadas, mas estas não mostraram influência significativa no rendimento deglicose. Ao final do processo de otimização, concluiu-se que o pré-tratamentopode ser realizado a temperatura ambiente e com um tempo de 1 h de reação,que são valores bem mais baixos do que os obtidos nas patentes anteriores.O material celulósico obtido nas condições acima pode ser hidrolisadopor enzimas celulase ou coquetéis de enzima, sendo necessária uma baixacarga enzimática (valores bem menores do que os usualmente encontrados naliteratura) para se conseguir altos rendimentos de glicose.
As condições de pré-tratamento por nós determinadas resulta em umabiomassa com praticamente 80% de celulose em peso seco. A melhoriasignificativa na hidrólise do material pré-tratado nas condições determinadaspela invenção pode ser reconhecida pelo fato que 0,3740 g/g biomassa brutaseca de glicose foram liberadas nas condições ótimas, o que corresponde a umrendimento de glicose de 84,07%. A biomassa sem pré-tratamentoproporcionou 0,004 g/g biomassa bruta seca de glicose apresentando umrendimento de 0,907% de glicose.
Com este procedimento é possível obter altos rendimentos de açúcaresfermentescíveis para produção de etanol a partir de resíduos da indústriasucroalcooleira (bagaço de cana), o que proporciona um aumento da produçãodo combustível sem aumentar a área plantada. Além do mais, resulta em umamelhoria no aproveitamento da matéria-prima. Os açúcares obtidos podem serusados não só para produção de álcool, mas também de outros produtos porfermentação. A necessidade da diminuição do tamanho da partícula de bagaçopara facilitar o pré-tratamento/hidrólise é avaliada.
Processo Fermentativo
A etapa de fermentação pode ser realizada após a hidrólise enzimática,via processo conhecido como SHF (Separated Hydrolysis and Fermentation,isto é, Hidrólise e Fermentação Separadas), ou concomitante com a hidrólise,em um processo conhecido como SSF (Simultaneous Saccharification andFermentation, isto é, Sacarificação e Fermentação Simultâneas). Dependendoda concentração dos açúcares produzidos na hidrólise enzimática, pode-seoptar pela adição ao meio reacional de uma solução sacarídica concentrada,(e.g. melaço ou caldo de cana).
A presente invenção também pode ser utilizada no processo CBP(Consolidated Bioprocessing), que combina os quatro eventos biológicosrequeridos para a conversão de biomassa vegetal em etanol: produção daenzima celulolítica, hidrólise dos polissacarídeos presentes na biomassa pré-tratada, fermentação das hexoses e fermentação das pentoses no mesmoreator.
Exemplo 1. Preparação do material
O bagaço de cana-de-açúcar (Saccharum officinarum) utilizado nosexperimentos foi seco a 45°C por 48 h e deixado à temperatura ambiente pormais 24 h, sendo posteriormente armazenado no freezer em bolsashermeticamente fechadas. O teor de umidade determinado foi de 5%.
Ensaios foram realizados utilizando o bagaço proveniente da últimamoenda da usina (material heterogêneo), denominado de bagaço nãopeneirado e bagaço peneirado na faixa de -12+60 mesh (partículas entre 0,248e 1,397 mm). As partículas menores foram rejeitadas porque correspondemprincipalmente à areia. O objetivo era avaliar a influência do tamanho da partícula na liberação dos açúcares fermentescíveis.
Exemplo 2. Caracterização química do material
Após divisão do bagaço em duas partes, estes foram analisados quantoao teor de extrativos, cinzas, lignina total, glicana, xilana e grupos acetilasegundo a metodologia descrita pelo National Renewable Energy Laboratory.
Exemplo 3. Pré-tratamento
Foi estudado o pré-tratamento com peróxido de hidrogênio alcalino(H2O2 alcalino). A influência do tempo de pré-tratamento (h), da temperatura(°C) e da concentração de H2O2 (%) na liberação dos açúcares fermentescíveisfoi avaliada através de planejamentos experimentais visando à otimização dascondições de pré-tratamento.
Amostras de aproximadamente 4,0 g de bagaço seco não peneirado epeneirado foram tratadas com 100 mL da solução contendo H2O2 alcalino auma concentração pré-determinada pelo planejamento e imediatamentelevadas para uma incubadora onde eram mantidos a uma rotação de 150 rpm com temperatura e tempo reacional pré-determinados também peloplanejamento experimental.Exemplo 4. Hidrólise Enzimática
Ao término de cada uma das reações, o líquido reacional foi descartadoe os resíduos restantes lavados com água destilada até que toda a coloraçãodesaparecesse. As amostras foram então secas a uma temperatura de 50°C epesadas para determinar a perda de massa.
Um grama do bagaço pré-tratado foi hidrolisado com 300 ml_ de soluçãocontendo celulase e (3-glicosidase com o pH do meio ajustado para 4,8. Parahidrólise foi utilizado 3,50 FPU/g biomassa seca pré-tratada de celulase deTrichoderma reesei (Sigma) e 1,00 CBU/g biomassa seca pré-tratada de P-glicosidase de Aspergillus niger (Sigma). A atividade de celulase foideterminada como unidades de filtro de papel por mililitro (FPU/mL), comorecomendado pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC). Aatividade da P-glicosidase foi determinada através de uma solução decelobiose 15 mmol/L e expressa em unidades por mililitro (CBU/mL).
Os experimentos foram realizados em erlenmeyer de 500 ml_ emincubadoras com agitação orbital de 100 rpm a 50°C. Alíquotas foram retiradasem tempos pré-determinados, fervidas por 15 minutos para inativação dasenzimas e analisadas quanto ao teor de glicose. Os valores dos rendimentosde glicose utilizados para análise estatística foram escolhidos no tempo dereação após o qual as massas liberadas no meio reacional permaneceraminalteradas.
Exemplo 5. Métodos analíticos
A concentração de glicose foi determinada de acordo com o métodoenzimático Glicose GOD-PAP, descrito por Henry (1974). Trata-se de um kitenzimático baseado na oxidação enzimática da glicose através da enzimaglicose oxidase (GOD) resultando em peróxido de hidrogênio, o qual ésubseqüentemente usado na geração da coloração rosada pela peroxidase(PAP). A concentração dos açúcares redutores totais (ART) foi determinada deacordo com o método do ácido dinitro-3,5-salicílico (DNS) descrito por Miller(1959).Exemplo 6. Efeitos das variáveis do processo de pré-tratamento norendimento de glicose
Experimentos iniciais foram conduzidos para o bagaço não peneirado(N) e peneirado (P) de acordo com um planejamento estatístico completo de dois níveis, onde se tem uma combinação das variáveis de processo; tempo (6,15 e 24 h); temperatura (20, 40 e 60°C) e concentração de peróxido (1, 3 e5%). Foram obtidas como respostas a massa de ART e glicose, expressascomo g/g biomassa bruta seca (sem pré-tratamento), e o rendimento de glicoseexpresso em porcentagem (%), após a execução da hidrólise da celulose nas condições já descritas.
Observou-se que nas condições operacionais estudadas o máximo deglicose foi obtido para o bagaço não peneirado em 24 h de pré-tratamento auma temperatura de 20°C utilizando 5% de peróxido de hidrogênio alcalino, oque corresponde a um rendimento de glicose de 69,427% (ensaio 6) como mostra a Figura 1. Assim, pode-se concluir que a diminuição do tamanho dapartícula não foi importante na liberação dos açúcares fermentescíveis após aetapa de pré-tratamento e hidrólise. O bagaço de cana-de-açúcar nãopeneirado foi então utilizado para a etapa posterior de otimização do processo.
Este estudo foi de suma importância, já que nenhum trabalho anterior haviarealizado tal comparação. Com a eliminação da necessidade de diminuir otamanho das partículas conseguiu-se um maior aproveitamento da matériaprima, que pode ser utilizada por completo, além de excluir uma operaçãounitária do processo, o que pode diminuir bastante a sua complexidade e osseus custos.
Para a etapa de otimização do pré-tratamento, a variável "tempo" foieliminada do novo planejamento, visto que seu efeito não se mostrouestatisticamente significativo durante os ensaios do primeiro planejamentorealizado. Como o estudo havia sido realizado com tempos de 6, 15 e 24 h depré-tratamento, o tempo de 6 h foi fixado para todos os ensaios na etapa de otimização, variando-se, assim, apenas a concentração de H202 e atemperatura.Exemplo 7. Otimização das condições de pré-tratamento
Na segunda etapa, um novo planejamento experimental foi utilizado,tendo como fatores a temperatura e a concentração de peróxido de hidrogênioalcalino (%). O tempo de pré-tratamento foi eliminado, já que não se mostrousignificativo na etapa anterior, e permaneceu fixo no ponto mínimo (6 h).Observou-se que nas condições operacionais estudadas o máximo de glicosefoi obtido a 50°C a uma concentração de 7% de peróxido de hidrogênio,levando a um rendimento de glicose de 0,8131% (ensaio 5) como mostra aFigura 3.
Os resultados deste novo planejamento mostraram que, na nova faixaestudada, a temperatura também não é significativa no nível de 90% deconfiança. Um modelo estatístico significativo foi proposto e possibilitou adeterminação do valor da concentração de H202 que leva à máxima liberaçãode glicose após hidrólise, que foi 7,35% de peróxido como mostra a superfíciede resposta da Figura 4.
Como o tempo de pré-tratamento e a temperatura não se mostraramsignificativos na faixa estudada, novos estudos foram realizados paradeterminar se o pré-tratamento poderia ser realizado em temperatura ambientee qual o menor tempo necessário. Como resultado verificou-se que a máximaliberação de glicose pode ser obtida em torno de 25°C, a uma concentração deperóxido de hidrogênio de 7,35% por 1 h. Os resultados de massa de ART eglicose após 48 h de hidrólise a 50°C e pH 4,8 foram 0,4899 g/g biomassabruta seca e 0,3740 g/g biomassa bruta seca, respectivamente, como mostra aFigura 5. A concentração de celulase usada na hidrólise foi 3,50 FPU/g debiomassa seca pré-tratada e a de 3-glicosidase 1,00 CBU/g de biomassa secapré-tratada. A massa de glicose corresponde a um rendimento de 84,07 %.
Os versados na arte valorizarão o processo da presente invenção comoexcelente alternativa aos congêneres existentes. Os exemplos descritos napresente invenção não devem ser compreendidos como limitantes do espírito eescopo da presente invenção, definido nas reivindicações anexas.
Claims (17)
1. Processo de pré-tratamento e hidrólise de biomassa vegetallignocelulósica caracterizado por compreender as etapas de:i. Pré-tratamento da biomassa vegetal lignocelulósica com umasolução de peróxido de hidrogênio alcalino; eii. Hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada utilizando misturas compreendendo celulases, p-glicosidases,hemicelulases, ou combinações das mesmas.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelabiomassa vegetal ser escolhida do grupo que compreende:i. biomassa herbácea; ii. plantas pertencentes aos gêneros Lolium, Spartina, Panicum,Miscanthus, e combinações dos mesmos;iii. bagaço de cana-de-açúcar oriundo de moenda e/ou difusor;iv. palhas de cereais como trigo, arroz, centeio, cevada, aveia,milho e mistura dos mesmos; v. madeira;vi. troncos e/ou talos de bananeira;vii. papelão, serragem, jornal e resíduos agroindustriais oumunicipais similares; eviii. combinações dos itens i a vii.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelabiomassa vegetal ser escolhida do grupo que compreende bagaço decana de açúcar.
4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelasolução de peróxido possuir uma concentração dentro de uma faixaque vai de 1 % v/v a 9,83% v/v.
5. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelasolução de peróxido possuir uma concentração de aproximadamente 7,35% v/v.
6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelasolução alcalina de peróxido possuir um valor de pH deaproximadamente 11,5.
7. Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo pHser ajustado mediante uma solução de hidróxido de sódio.
8. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapai) ser realizada em temperatura de 15°C até 50°C.
9. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapai) ser realizada em um tempo de até aproximadamente 24 horas.
10. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela razãobagaço:solução de peróxido alcalina estar compreendida na faixaque vai de 1g:20ml_ a 1g:30mL.
11. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapaii) de hidrólise compreender o uso de p-glicosidases oriundas deAspergillus niger.
12. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapaii) de hidrólise compreender o uso de celulases de Trichodermareesei.
13. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapaii) de hidrólise ocorrer em um pH com valor de aproximadamente 4,8.
14. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapaii) de hidrólise ocorrer em uma temperatura de aproximadamente 50°C.
15. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela razãobagaço:enzimas estar compreendida na faixa que vai de 1g:3 FPU a 1g: 5FPU para celulase e 1g:1 CBU a 1g:10 CBU para p-glicosidase.
16. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado porcompreender uma etapa adicional de fermentação dos carboidratosproduzidos a partir da hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada.
17. Produto para a produção industrial de alcoóis caracterizado porcompreender biomassa vegetal lignocelulósica pré-tratada com umasolução de peróxido de hidrogênio alcalino e hidrolisadaenzimaticamente com celulases, p-glicosidases, hemicelulases, oucombinações das mesmas.
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2008
- 2008-07-04 BR BRPI0802559-2A patent/BRPI0802559A2/pt not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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