BR102013031319B1 - Método de hidrolisar um material celulósico - Google Patents

Description

“MÉTODO DE HIDROLISAR UM MATERIAL CELULÓSICO” Antecedentes O assunto apresentado no presente documento refere-se geralmente a métodos de hidrolisar materiais celulósicos para produzir açúcares de baixo peso molecular.

Os métodos enzimáticos convencionais de hidrolisar materiais celulósicos para produzir açúcares de baixo peso molecular envolvem a hidrólise mediada por enzima do material celulósico para produzir uma mistura de produto que compreende água, açúcares de baixo peso molecular e um catalisador de enzima de hidrólise de celulose. Esta mistura de produto é, então, separada em uma solução que contém os açúcares de baixo peso molecular produzidos a partir da hidrólise do material celulósico e outros componentes da mistura de produto.

Os métodos de efetuar esta separação são concentrados na velocidade de separação e em outros fatores, mas não são tipicamente focalizados na produção de uma solução relativamente pura de açúcares de baixo peso molecular, a qual é substancialmente livre do catalisador de enzima hidrolítica, enquanto que fornece simultaneamente a recuperação e reutilização do catalisador de enzima hidrolítica.

Deste modo, há uma necessidade por métodos alternativos de efetuar a hidrólise enzimática de materiais celulósicos.

Breve Descrição Em uma modalidade, a presente invenção fornece um método de hidrolisar um material celulósico, o método que compreende: (a) colocar uma mistura de alimentação que compreende água e um material celulósico em contato com um catalisador de enzima de hidrólise de celulose para produzir uma mistura de produto de hidrólise que compreende água, o catalisador de enzima, e um ou mais açúcares de baixo peso molecular derivados a partir do material celulósico; e (b) separar a mistura de produto de hidrólise através de uma membrana para fornecer uma solução de permeado aquosa que compreende um ou mais açúcares de baixo peso molecular derivados a partir do material celulósico, e um retentado que compreende o catalisador de enzima; em que a membrana tem um peso molecular de corte em uma faixa a partir de cerca de 200 daltons a cerca de2000 daltons, em que a solução de permeado é substancialmente livre do catalisador de enzima, em que o retentado é substancialmente desprovido de açúcares de baixo peso molecular derivados a partir do material celulósico e compreende substancialmente todo o catalisador de enzima.

Breve Descrição Dos Desenhos Diversas características, aspectos e vantagens da presente invenção serão melhor compreendidos quando a seguinte descrição detalhada é lida com referência aos desenhos em anexo, nos quais os caracteres semelhantes representam partes similares por todos os desenhos. Exceto onde indicado em contrário, os desenhos fornecidos no presente documento têm a intenção de ilustrar as características inventivas chave da invenção. Acredita-se que estas características inventivas chave sejam aplicáveis em uma ampla variedade de sistemas, os quais compreendem um ou mais modalidades da invenção. Como tal, os desenhos não têm a intenção de incluir todas as características convencionais conhecidas pelos elementos versados na técnica como sendo exigidas para a prática da invenção. A Figura 1 ilustra uma primeira modalidade da presente invenção. A Figura 2 ilustra uma segunda modalidade da presente invenção. A Figura 3 ilustra uma terceira modalidade da presente invenção. A Figura 4 ilustra uma quarta modalidade da presente invenção.

Descrição Detalhada No seguinte relatório descritivo e nas reivindicações, as quais se seguem, será feita referência a uma série de termos, os quais deverão ser definidos com os seguintes significados.

As formas singulares “um” e “o” incluem os referentes plurais, exceto onde o contexto estipula claramente ao contrário. “Opcional” ou “opcionalmente” significa que a circunstância ou evento descrito subsequentemente pode ou não ocorrer e que a descrição inclui casos onde o evento ocorre e casos onde o mesmo não ocorre. A linguagem de aproximação, para uso na presente invenção por todo o relatório descritivo e reivindicações, pode ser aplicada para modificar qualquer representação quantitativa que poderia permissivelmente variar sem resultar em uma mudança na função básica à qual a mesma está relacionada.

Consequentemente, um valor modificado por um termo ou termos, tais como “cerca de” e “substancialmente”, não devem ser limitados ao valor preciso especificado. Em ao menos alguns casos, a linguagem de aproximação pode corresponder à precisão de um instrumento para a medição do valor. Aqui e por todo o relatório descritivo e reivindicações, as limitações de faixa podem ser combinadas e/ou intercambiadas, tais faixas são identificadas e incluem todas as subfaixas contidas nas mesmas, exceto onde o contexto ou linguagem indica ao contrário.

Conforme observado, a presente invenção fornece um método para a hidrólise enzimática de materiais celulósicos para produzir açúcares de baixo peso molecular de pureza adequada para serem úteis para a produção de etanol através de fermentação. Além disso, os açúcares produzidos podem ser usados em uma variedade de outras aplicações, por exemplo, como materiais de partida quirais em síntese orgânica. Além disso, o método possibilita a recuperação e reutilização eficaz do catalisador de enzima de hidrólise de celulose. É notável que o método fornecido pela presente invenção permite o uso de materiais celulósicos (em oposição a gêneros alimentícios de humanos) para produzir biocombustíveis, tais como etanol. Em diversas modalidades, os materiais celulósicos adequados incluem bagaço de cana de açúcar e palha de cana de açúcar, ambos abundantes, mas subprodutos de valor relativamente baixo na produção de açúcar a partir da cana de açúcar.

Outros materiais celulósicos adequados para o uso de acordo com uma ou mais modalidades da presente invenção incluem restos culturais de milho, miscanto, cana energética, cana-do-reino (Arundo donax), painço amarelo (Panicum virgatum), misturas gramíneas, aparas de madeira e serragem. Em uma ou mais modalidades, o material celulósico é selecionado a partir do grupo que consiste em bagaço de cana de açúcar, palha de cana de açúcar, restos culturais de milho, miscanto, cana energética, cana-do-reino, painço amarelo, misturas gramíneas, aparas de madeira, serragem e misturas que compreendem dois ou mais dos materiais celulósicos mencionados anteriormente. O método da presente invenção pode ser praticado colocando-se uma mistura de alimentação que compreende água e um material celulósico, tal como bagaço de cana de açúcar, em contato com um ou mais catalisadores de enzima de hidrólise de celulose para efetuar a hidrólise enzimática da celulose presente no bagaço para suas unidades de glicose constituinte e glicose que contém fragmentos derivados de celulose, tais como celobiose. Em adição a conter celulose, um homopolímero de glicose, materiais celulósicos típicos, tais como bagaço de cana de açúcar, contêm quantidades substanciais de hemicelulose que, ao contrário da celulose, é um heteropolímero que contém pentoses, tais como xilose e arabinose, e hexoses tais como glicose, galactose e manose, assim como ácidos de açúcar. Deste modo, um catalisador de enzima de hidrólise de celulose eficaz deveria ser capaz de despolimerizar tanto celulose como hemicelulose para suas unidades de açúcar constituintes. Os elementos versados na técnica irão observar que, para uso na presente invenção, o termo “colocar em contato” significa colocar os constituintes da mistura de alimentação (água e um material celulósico) em contato próximo com um ou mais catalisadores de enzima de hidrólise de celulose sob condições, em que o catalisador de enzima de hidrólise de celulose cliva celulose e/ou hemicelulose a suas unidades de açúcar constituintes em taxas úteis sem comprometer a atividade catalítica do catalisador de enzima de hidrólise de celulose. Em uma ou mais modalidades, o método da presente invenção emprega uma mistura de celulases a partir da espécie Aspergillis e celobiases a partir de Aspergillus Niger, como o catalisador de enzima de hidrólise de celulose.

Em uma ou mais modalidades da presente invenção, o material celulósico é submetido a uma etapa de pré-tratamento antes se ser colocado em contato com o catalisador de enzima de hidrólise de celulose. Por exemplo, o material celulósico pode ser triturado, pulverizado e/ou tratado com calor antes de ser colocado em contato, em uma mistura de alimentação aquosa, com um ou mais catalisador de enzima de hidrólise de celuloses. Em uma modalidade, o material celulósico é submetido a uma etapa de pré-tratamento que compreende explosão de vapor. Em uma modalidade, este etapa de pré- tratamento de explosão de vapor é realizada em uma faixa a partir de cerca de 150°C a cerca de 300°C. A mistura de alimentação consiste tipicamente em uma pasta fluida do material celulósico em água ao qual o catalisador de enzima de hidrólise de celulose pode ser adicionado para efetuar a despolimerização da celulose e hemicelulose presentes a suas unidades de açúcar constituintes. O material celulósico está tipicamente presente na mistura de alimentação em uma quantidade que corresponde a partir de cerca de 1 a cerca de 40 por cento, em peso. Em uma modalidade, o material celulósico está presente em uma quantidade que corresponde a partir de cerca de 5 por cento, em peso, a cerca de 20%, em peso, com base no peso inicial total da mistura de alimentação e no peso seco do material celulósico, o restante da mistura de alimentação que consiste em água e no catalisador de enzima de hidrólise de celulose. Tipicamente, a mistura de alimentação compreende a partir de cerca de 60 a cerca de 85 por cento, em peso, de água e a partir de menos do que 0,1 a cerca de 4 por cento, em peso, de catalisador de enzima de hidrólise de celulose. O peso seco do material celulósico é definido com referência ao peso hipotético do material celulósico a partir do qual substancialmente toda a água tem sido removida. A maioria dos materiais celulósicos adequados para o uso de acordo com uma ou mais modalidades da invenção contém quantidades substanciais de água, exceto quando submetidos a uma etapa de secagem rigorosa. A etapa de hidrólise enzimática pode ser realizada sobre ampla faixa de temperatura, que inclui a temperatura ambiente prevalecente. Em uma modalidade, a hidrólise enzimática é realizada em uma temperatura em uma faixa a partir de cerca de 20 a cerca de 80 °C. Em uma modalidade alternativa, a hidrólise enzimática é realizada em uma temperatura em uma faixa a partir de cerca de 25 a cerca de 60 °C. Em mais outra modalidade, a hidrólise enzimática é realizada em uma temperatura em uma faixa a partir de cerca de 30 a cerca de 40°C. Conforme será observado pelos elementos versados na técnica, o limite superior de temperatura na etapa de hidrólise pode variar dependendo da sensibilidade de cada um ou tanto do catalisador de enzima de hidrólise de celulose como dos açúcares do produto às condições de hidrólise.

Embota a conversão completa do material celulósico a suas unidades de açúcar constituintes possa ser desejável, é frequentemente vantajoso, por exemplo, em processos contínuos, converter somente uma parte do material celulósico a suas unidades de açúcar constituintes e, posteriormente, separar e utilizar tudo ou uma parte do material celulósico não convertido para preparar a mistura de alimentação. Em uma modalidade, ao menos 50 por cento do material celulósico inicialmente presente na mistura de alimentação é convertido a açúcares de baixo peso molecular em uma primeira etapa de contato antes de qualquer reciclagem do material celulósico em uma mistura de alimentação.

Durante o curso da etapa de contato, a mistura de alimentação inicial é convertida em uma mistura de produto de hidrólise que compreende água, o catalisador de enzima de hidrólise de celulose e um ou mais açúcares de baixo peso molecular e qualquer parte não convertida restante do material celulósico. Os açúcares de baixo peso molecular são definidos no presente documento como incluindo hexoses, tais como glicose (peso molecular de 180 gramas por mol) e pentoses, tais como xilose (peso molecular de 150 gramas por mol). Para os propósitos desta descrição, os açúcares de baixo peso molecular são definidos como tendo pesos moleculares de menos do que 200 gramas por mol. Tipicamente, a mistura de hidrólise bruta compreende a partir de cerca de 1 por cento, em peso, a cerca de 20 por cento, em peso, de açúcares de baixo peso molecular. A mistura de produto de hidrólise pode ser tratada com um dispositivo de separação de líquido-sólido, tal como uma centrífuga, um funil de filtro, um funil de peneira, um filtro Bird, ou similares, para remover o material celulósico não dissolvido. Em uma ou mais modalidades, a remoção de sólidos a partir da mistura de produto de hidrólise não é exigida, mas é tipicamente efetuada para otimizar a facilidade com a qual a mistura de produto de hidrólise pode ser manuseada posteriormente. Em uma ou mais modalidades, quantidades substanciais de componentes de lignina insolúveis em água do material celulósico são removidas a partir da mistura de produto de hidrólise, durante a remoção dos sólidos.

Se submetida ou não a uma etapa de remoção de sólidos, a mistura de produto de hidrólise é separada através de uma membrana para fornecer uma solução de permeado aquosa que compreende um ou mais açúcares de baixo peso molecular derivados a partir do material celulósico, e um retentado que compreende o catalisador de enzima. A membrana empregada é uma membrana do tipo exclusão por tamanho que tem um peso molecular de corte em uma faixa a partir de cerca de 200 daltons a cerca de 2000 daltons, o que significa que os materiais que têm peso molecular maior do que o peso molecular de corte determinado serão rejeitados pela membrana e não passarão através da mesma. Em uma modalidade, a membrana tem um peso molecular de corte de 250 daltons e rejeita 90 por cento ou mais de moléculas orgânicas neutras que têm um peso molecular de 250 gramas por mol ou maior. Em uma modalidade alternativa, a membrana tem um peso molecular de corte de 1000 daltons e rejeita 90 por cento de moléculas orgânicas neutras que têm um peso molecular de 1000 gramas por mol ou maior. Em várias modalidades, celulose, fragmentos de celulose de peso molecular moderado a alto, e o catalisador de enzima de hidrólise de celulose, não passam através da membrana. Em outra modalidade, a membrana empregada é uma membrana do tipo exclusão por tamanho que tem um peso molecular de corte em uma faixa a partir de cerca de 200 daltons a cerca de 1000 daltons. Em mais outra modalidade, a membrana empregada é uma membrana do tipo exclusão por tamanho que tem um peso molecular de corte em uma faixa a partir de cerca de 200 daltons a cerca de 500 daltons. As membranas de exclusão por tamanho incluem, entre outras, membranas de nanofiltração na série D fabricada por GE Water and Process Technologies. As membranas da série D são caracterizadas por um peso molecular de corte aproximado de 150 a 300 daltons para moléculas orgânicas não carregadas e incluem membranas com números de produto DK8040F e DL8040F. Outras membranas adequadas incluem as membranas da série G GE8040F, GH8040F e GK8040F, também disponíveis junto a GE Water and Process Technologies.

Devido ao fato de que os açúcares de baixo peso molecular passam livremente através da membrana, a concentração de açúcares de baixo peso molecular em relação à água no permeado e no retentado é essencialmente idêntica. A quantidade total de açúcares de baixo peso molecular no permeado pode ser maximizada mediante a maximização do volume do permeado em relação ao volume do retentado. Em uma modalidade, o volume relativo de permeado para o volume do retentado é maior do que 2 a 1. Sob tais circunstâncias, o permeado irá conter mais que duas vezes a quantidade de açúcares de baixo peso molecular que o retentado, e o retentado é definido como sendo substancialmente desprovido de açúcares de baixo peso molecular. Em uma modalidade, o permeado compreende açúcares de baixo peso molecular em uma quantidade que corresponde a partir de cerca de 5 por cento, em peso, a cerca de 20 por cento, em peso, com base no peso total do permeado. Em uma modalidade alternativa, a separação da mistura de produto de hidrólise fornece o permeado aquoso que compreende cerca de cinquenta por cento de um peso total de açúcares de baixo peso molecular presentes na mistura de produto de hidrólise.

Em uma primeira modalidade, o permeado compreende glicose, xilose, arabinose e manose como componentes de açúcar de baixo peso molecular. Em uma segunda modalidade, o permeado compreende os açúcares de baixo peso molecular, glicose e xilose, como os principais componentes de açúcar de baixo peso molecular em conjunto com quantidades menores de arabinose e manose. Em qualquer uma das duas modalidades anteriores, o permeado é definido como compreendendo os açúcares de baixo peso molecular, glicose e xilose. A solução de permeado aquosa produzida por meio da separação da mistura de produto de hidrólise através da membrana de exclusão por tamanho é substancialmente livre (contém menos do que 1 %) do catalisador de enzima de hidrólise de celulose, enquanto que o retentado contém substancialmente todo o catalisador de enzima de hidrólise de celulose presente na mistura de produto de hidrólise que é submetida à etapa de separação de membrana. Deve-se observar que perdas do catalisador de enzima de hidrólise de celulose podem ocorrer durante outras etapas opcionais, por exemplo, durante o tratamento da mistura de produto de hidrólise em um dispositivo de separação de sólido-líquido. Em uma modalidade, o retentado compreende ao menos 80 do catalisador de enzima de hidrólise de celulose inicialmente presente durante o contato entre a mistura de alimentação e o catalisador de enzima de hidrólise de celulose. Em uma modalidade alternativa, o retentado compreende ao menos 90 do catalisador de enzima de hidrólise de celulose inicialmente presente durante o contato entre a mistura de alimentação e o catalisador de enzima de hidrólise de celulose. Em mais outra modalidade, o retentado compreende ao menos 95 do catalisador de enzima de hidrólise de celulose inicialmente presente durante o contato entre a mistura de alimentação e o catalisador de enzima de hidrólise de celulose. A quantidade de catalisador de enzima de hidrólise de celulose presente no retentado pode ser convenientemente determinada por meio da medição da atividade catalítica do retentado em relação à atividade catalítica de uma quantidade conhecida de catalisador de enzima de hidrólise de celulose em um ensaio de hidrólise enzimática de celulose padrão conhecido pelos elementos versados na técnica. Em uma modalidade, o retentado exibe ao menos 90% da atividade enzimática de uma mistura de alimentação inicial a partir da qual o mesmo é derivado. De outro modo, o retentado exibe 90 por cento da atividade catalítica produzida pela quantidade de catalisador inicialmente presente na mistura de alimentação.

Em uma modalidade, o método da presente invenção compreende, adicionalmente, uma etapa de concentrar o permeado para fornecer uma solução concentrada de açúcares de baixo peso molecular derivados a partir do material celulósico, a solução concentrada que tem uma concentração de açúcar de baixo molecular sugar em uma faixa a partir de cerca de 15 por cento, em peso, a cerca de 40 por cento, em peso, com base no peso total da solução concentrada. O permeado pode ser concentrado por meio da separação do mesmo através de uma segunda membrana de exclusão por tamanho que tem um peso molecular de corte de menos do que 180. Sob tais circunstâncias, cerca de 90 por cento dos açúcares de baixo peso molecular presentes no permeado não podem passar através da segunda membrana e permanecem em um segundo retentado. Em contrapartida, a água passa prontamente através da segunda membrana para fornecer um segundo permeado que consiste essencialmente em água adequada para a reutilização na preparação da mistura de alimentação de partida.

Conforme será observado pelos elementos versados na técnica, o método da presente invenção pode ser praticado como um processo por lotes, um processo semicontínuo ou um processo contínuo. Em uma ou mais tais modalidades, o retentado que compreende o catalisador de enzima de hidrólise de celulose (o primeiro retentado descrito) é usado tanto como uma fonte de água para a mistura de alimentação como uma fonte do catalisador de enzima de hidrólise de celulose usado para efetuar a hidrólise enzimática do material celulósico presente na mistura de alimentação.

Com referência agora às figuras, a figura 1 ilustra tanto o método 10 fornecido pela presente invenção como um sistema para praticar o método.

Deste modo, um método 10 compreende colocar uma mistura de alimentação 30 que compreende água (não mostrada) e um material celulósico 14 em contato com um catalisador de enzima de hidrólise de celulose 31. O contato pode ser realizado em um recipiente adequado, tal como reator de tanque agitado 20 equipado com agitador 22. No decorrer do tempo, a mistura de alimentação é convertida a uma mistura de produto de hidrólise 32 que compreende água (não mostrada), o catalisador de enzima 31 e um ou mais açúcares de baixo peso molecular (não mostrados) derivados a partir do material celulósico. Na figura, a passagem de tempo é indicada pela seta 40.

Em processos por lotes, a conversão hidrolítica da mistura de alimentação 30 para a mistura de produto de hidrólise 32 ocorre no decorrer de um período de tempo que se situa na faixa a partir de várias horas a vários dias em uma ou mais temperaturas em uma faixa a partir de cerca de 20 a cerca de 80°C. Sob tais circunstâncias, a quantidade do material celulósico consumida pode se situar na faixa a partir de conversão quase quantitativa à conversão parcial.

Em qualquer estágio durante a conversão do material celulósico para produzir açúcares de baixo peso molecular, a mistura de produto de hidrólise 32 pode ser transferida para um separador de sólido-líquido 50, no qual a mistura de produto de hidrólise é separada em sólidos celulósicos recuperados 35 e a mistura de produto de hidrólise a partir da qual os sólidos têm sido removidos. Na figura, a transferência da mistura de produto de hidrólise 32 para o separador de sólido-líquido 50 é indicada pela seta 42. A mistura de produto de hidrólise a partir da qual os sólidos têm sido removidos é indicada pelo elemento 34. Conforme será observado pelos elementos versados na técnica, os sólidos celulósicos recuperados 35 podem ser reciclados e usados na mistura de alimentação inicial.

Na modalidade mostrada na figura 1, a mistura de produto de hidrólise 34 a partir da qual os sólidos têm sido removidos é, então, carregada em um recipiente de separação de membrana 52, em que a mistura de produto de hidrólise é separada através de uma membrana de exclusão por tamanho 60 que tem um peso molecular de corte em uma faixa a partir de cerca de 200 daltons a cerca de 2000 daltons para fornecer o permeado 36 que sai do recipiente de separação de membrana 52 através da saída de permeado 61. A parte da mistura de produto de hidrólise 34 que atravessa a membrana constitui o permeado 36 que compreende água e um ou mais açúcares de baixo peso molecular (por exemplo, glicose). O permeado 36 pode ser muitas vezes no presente documento mencionado como “um permeado aquoso” e/ou “o permeado aquoso”. A parte da mistura de produto de hidrólise 34 que atravessa a membrana é mencionada como retentado 38 que compreende um ou mais açúcares de baixo peso molecular (não mostrados) e o catalisador de enzima de hidrólise de celulose 31. Conforme observado em outra parte no presente documento, as quantidades relativas de água e açúcares de baixo peso molecular são as mesmas tanto no permeado como no retentado. No entanto, a maior parte do açúcar de baixo peso molecular e água pode estar finalmente contida no permeado por meio da maximização do volume do permeado, enquanto que se minimiza o volume do retentado produzido na etapa de separação. Deste modo, o recipiente de separação de membrana 52 pode ser equipado com válvulas, por exemplo, que limitam a taxa na qual o retentado sai do recipiente de separação de membrana em relação à taxa na qual o permeado pode sair do recipiente de separação de membrana. O elemento 28 representa os níveis de líquido nos reatores de tanque agitado e recipientes de separação de membrana 52 e é mostrado nas diversas figuras para propósitos de referência.

Com referência à figura 2, a figura representa uma modalidade que representa um método e sistema 10 fornecidos pela presente invenção. Na modalidade mostrada, tanto a conversão da mistura de alimentação 30 para a mistura de produto de hidrólise 32 como a separação da mistura de produto de hidrólise em permeado 36 e retentado 38 são realizadas em um único recipiente, reator de tanque agitado 20. O reator de tanque agitado 20 é equipado com agitador 22 e peneira interna 24 através da qual a água, açúcares de baixo peso molecular e catalisador de enzima de hidrólise de celulose podem passar, mas que evita a passagem de sólidos. Na prática do método fornecido pela presente invenção, a água (não mostrada), o material celulósico (mostrado como os sólidos celulósicos 14) e o catalisador de enzima de hidrólise de celulose 31 são carregados no reator de tanque agitado de tal modo que o material celulósico sólido 14 não entre em contato com a membrana 60, isto é, o material celulósico permanece acima da peneira 24. A saída de permeado 61 compreende uma ou mais válvulas (não mostradas) de tal modo que o permeado possa ser impedido de sair do recipiente até o momento adequado. Na modalidade mostra, a saída de retentado 25 é acoplada à válvula 26, a qual pode ser usada para evitar e/ou controlar o fluxo de retentado a partir do reator de tanque agitado 20.

Na prática da modalidade do método ilustrado na figura 2, o catalisador de enzima de hidrólise de celulose 31 é adicionado ao reator de tanque agitado 20 que contém a mistura de alimentação 30 que compreende água (não mostrada) e o material celulósico 14. No decorrer de um intervalo de tempo indicado pela seta 40, a mistura de alimentação 30 é convertida para a mistura de produto de hidrólise 32. Na modalidade mostrada, aquela parte da mistura de produto de hidrólise abaixo da peneira 24 é indicada como a mistura de produto de hidrólise 34 que indica que os sólidos presentes na mistura de produto de hidrólise 32 têm sido removidos. A válvula 26 acoplada à saída de permeado 61 é aberta e o permeado 60 é deixado drenar a partir do recipiente. A válvula 26 na saída de retentado 25 pode ser usa para regular o fluxo de retentado a partir do recipiente. Em uma modalidade, o volume do permeado é de ao menos duas vezes o volume do retentado. Em uma modalidade alternativa, o volume do permeado é de ao menos três vezes o volume do retentado. Em mais outra modalidade, o volume do permeado é de ao menos cinco vezes o volume do retentado.

Com referência à Figura 3, a figura representa uma modalidade que representa um método e sistema 10 que podem ser usados para praticar a invenção tanto em modos contínuos como semicontínuos. Na modalidade mostrada, um primeiro reator de tanque agitado 20a é carregado com uma mistura de alimentação 30 que compreende água e um material celulósico 14.

Uma quantidade adequada de um catalisador de enzima de hidrólise de celulose 31 também está presente. Os elementos de volume individual da mistura de alimentação presentes no reator de tanque agitado 20a são caracterizados por um tempo de permanência médio dentro do primeiro reator de tanque agitado 20a, durante tal tempo ao menos uma parte do material celulósico 14 é convertida em açúcares de baixo peso molecular (não mostrados). A mistura de alimentação 30 parcialmente convertida é transferida (etapa 42a) para o segundo reator de tanque agitado 20b, em que a mistura de alimentação adicional é convertida para a mistura de produto de hidrólise 32.

Os elementos de volume individual da mistura de produto de hidrólise presente no segundo reator de tanque agitado 20b são caracterizados por um tempo de permanência médio dentro do segundo reator de tanque agitado 20b durante tal tempo a conversão do material celulósico to açúcares de baixo peso molecular continua.

Ainda com referência à Figura 3, a mistura de produto de hidrólise 32 no segundo reator de tanque agitado 20b é transferida (etapa 42b) para o separador de sólido-líquido 50 para produzir a mistura de produto de hidrólise 34 que contém ao menos um açúcar de baixo peso molecular e o catalisador de enzima de hidrólise de celulose 31. O separador de sólido-líquido 50 também produz sólidos recuperados 35 que contêm material celulósico não convertido e parcialmente convertido. O fluxo de mistura de produto de hidrólise 34 é alimentado para o recipiente de separação de membrana 52, onde o mesmo é separado através de uma membrana de exclusão por tamanho 60 que tem um peso molecular de corte em uma faixa a partir de cerca de 200 daltons a cerca de 2000 daltons e que produz através do mesmo um primeiro volume de uma solução de permeado aquosa 36 e um segundo volume of de um retentado aquoso 38, sendo que o primeiro volume é de ao menos duas vezes o segundo volume. A solução de permeado aquosa compreende ao menos um açúcar de baixo peso molecular, é substancialmente livre do catalisador de enzima e compreende mais do que cinquenta por cento do açúcar de baixo peso molecular total presente na mistura de produto de hidrólise 34. O retentado é substancialmente desprovido de açúcares de baixo peso molecular derivados a partir do material celulósico e compreende substancialmente todo o catalisador de enzima. O recipiente de separação de membrana 52 é equipado com uma válvula de pressão 55 de tal modo que a pressão possa ser aplicada à mistura de produto de hidrólise 34 se necessário para aumentar a velocidade da passagem da solução de permeado através da membrana 60. O permeado 36 sai do recipiente de separação de membrana 52 através da saída de permeado 61 e está pronto para o processamento adicional ou uso. O retentado 38 sai do recipiente de separação de membrana 52 através da saída de retentado 25 e válvula 26. A bomba 54 é configurada para liberar o retentado de volta para o primeiro reator de tanque agitado 20a.

Ainda com referência à Figura 3, em um aspecto, a figura representa um sistema 10 para a hidrólise enzimática contínua de um material celulósico para fornecer uma solução de permeado aquosa que compreende ao menos um açúcar de baixo peso molecular. Sob condições de estado estacionário, a mistura de alimentação 30 é preparada mediante a combinação de forma contínua no primeiro reator de tanque agitado 20a de fluxo de retentado 38 com fluxo de sólidos 35, água de reposição 70, material celulósico de reposição 72, e qualquer catalisador de enzima de hidrólise de celulose de reposição 31 (fluxo 74) exigido. No estado estacionário, a mistura de alimentação 30 irá conter alguns açúcares de baixo peso molecular presentes no retentado 38, assim como açúcares de baixo peso molecular produzidos pela hidrólise enzimática do material celulósico durante o intervalo de tempo que um determinado elemento de volume da mistura de alimentação permanece no primeiro reator de tanque agitado 20a (o tempo de permanência médio no reator de tanque agitado 20a).

Os conteúdos do primeiro reator de tanque agitado 20a são continuamente transferidos (etapa 42a) para um segundo reator de tanque agitado 20b, em que a conversão adicional do material celulósico a açúcares de baixo peso molecular ocorre durante o intervalo de tempo que um determinado elemento de volume da mistura de produto de hidrólise/mistura de alimentação (32/30) permanece dentro do segundo reator de tanque agitado 20b (o tempo de permanência médio no reator de tanque agitado 20b).

Os conteúdos do segundo reator de tanque agitado 20b são continuamente alimentados para um separador de sólido-líquido 50 configurado para a operação contínua, tal como um filtro Bird, para produzir fluxo de sólidos 35, o qual é retornado para o primeiro reator de tanque agitado 20a, e o fluxo de mistura de produto de hidrólise 34 que é alimentado para o recipiente de separação de membrana pressurizado 52, onde o mesmo é separado através de membrana de exclusão por tamanho no fluxo de permeado aquoso de produto 36 e no fluxo de retentado 38. O fluxo de retentado que compreende o catalisador de enzima de hidrólise de celulose 31 é alimentado pela bomba 54 para o primeiro reator de tanque agitado para completar o ciclo. Em uma ou mais modalidades, o fluxo de permeado aquoso compreende ao menos dois açúcares de baixo peso molecular, por exemplo, glicose e xilose.

Com referência à Figura 4, a figura representa uma modalidade adicional da presente invenção, na qual o primeiro permeado 36a é adicionalmente concentrado para produzir uma solução de retentado aquosa 39 que tem uma concentração maior de açúcar(es) de baixo peso molecular do que o primeiro permeado 36a. Deste modo, o permeado 36a produzido em um primeiro recipiente de separação de membrana 52a (por exemplo, no processo mostrado na Figura 3) é direcionado para um segundo recipiente de separação de membrana 52b, onde o mesmo é separado através de uma segunda membrana de exclusão por tamanho 60b que tem um peso molecular de corte de menos do que 180. Sob tais circunstâncias, a maior parte do açúcar de baixo peso molecular presente no primeiro permeado 36a não pode passar através da segunda membrana 60b e permanece em um segundo retentado designado 39/38b. Em contrapartida, a água passa prontamente através da segunda membrana para fornecer um segundo permeado 36b que consiste essencialmente em água adequada para a reutilização como água de reposição 70 na preparação da mistura de alimentação de partida.

Seção Experimental Materiais E Métodos Os catalisadores de enzima de hidrólise de celulose foram obtidos junto a Sigma-Aldrich (Celobiase a partir de Aspergillus niger, ou Novozyme 188, e Celulase a partir de Aspergillus sp., ou Carezyme 1000L®).

Os testes de permeação de membrana de lâmina plana foram conduzidos em bancadas de teste de fluxo cruzado em lâmina plana. A água purificada por osmose reversa (RO) (às vezes mencionada no presente documento como “água de permeado por RO”) e que tem condutividade menor do que 10 DS/cm foi usada para preparar as misturas de alimentação para testes de desempenho da membrana. A água de permeado por RO foi gerada passando-se (Niskayuna, Nova Iorque) água servida da rede pública através de uma unidade de RO comercialmente disponível. As amostras de teste de membrana foram cortadas em peças retangulares de 5,08 centímetros por 15,24 centímetros (2 polegadas por 6 polegadas) e carregadas em células de teste de fluxo cruzado. Três ou mais cupons a partir de cada experimento foram testado sob as mesmas condições e calculou-se a média dos resultados obtidos para se obter o desvio médio e padrão.

Os testes de recuperação de catalisador de enzima foram conduzidos com uma solução preparada partir da solução de celobiase de Sigma-Aldrich (187,5 mL) e solução de celulase de Sigma-Aldrich (187,5 ml_) dispersadas em 10 galões de água desionizada. A atividade medida da solução de catalisador de enzima de hidrólise de celulose foi de 42,7 FPU/mL. Quatro membranas de ultrafiltração (UF) com valores de peso molecular de corte (valores de MWCO) de 5000, 8000, 10.000 e 20.000, foram obtidas junto a GE

Water and Process Technologies Trevose, Pensilvânia. Além disso, duas membranas de nanofiltração (NF) do tipo DK e DL também foram obtidas junto a GE Water and Process Technologies e testadas.

Durantes os experimentos de recuperação de enzima, as amostras de membrana foram primeiramente preparadas mediante a circulação de água pura através das membranas nas células de teste por trinta minutos, sem reciclar o permeado. Posteriormente, a solução do catalisador de enzima de hidrólise de celulose que tem 42,7 FPU/mL de nível de atividade foi circulada através das membranas em uma pressão de operação especificada e 25°C. Após uma hora de operação, as amostras de permeado foram coletadas por 4 ou 5 minutos. A taxa de fluxo cruzado para cada par de células foi ajustada para 1,0 galão por minuto (gpm) com o uso das válvulas e medidores de fluxo correspondentes. O permeado foi coletado em um cilindro graduado. O peso do permeado foi medido com o uso de uma balança Navigator, e um cronômetro científico Fisher foi usado para marcar o tempo. O fluxo de membrana foi calculado com base no peso do permeado, tempo de coleta, área de membrana e pressão transmembrana. As atividades enzimáticas do retentado e das soluções de permeado foram determinadas pela análise de atividade enzimática com o uso de métodos padrão (B. Adney e J. Baker “Measurement of Cellulase Activities, Laboratory Analytical Procedure (LAP)”, NREL/TP-510-42628, janeiro de 2008), os quais, por sua vez, foram usados para calcular a retenção de enzima. A tabela 1 mostra que as membranas UF com MWCOs na faixa de 5.000 a 20.000 forneceram recuperação de catalisador de enzima somente na faixa de cerca de 65% a cerca de 70%, conforme medido pela atividade enzimática do retentado. Isto sugere que ao menos alguns dos componentes do catalisador de enzima de hidrólise de celulose necessários para a atividade catalítica são capazes de passar através da membrana. Se for isto simplesmente, um efeito de peso molecular e/ou um efeito do formato da enzima não está totalmente claro. É evidente, no entanto, que ao menos alguns dos componentes do catalisador de enzima de hidrólise de celulose se comportam em relação à membrana como moléculas relativamente pequenas capazes de atravessar uma membrana UF que tem um peso molecular de corte na faixa a partir de 5000 a 2000 daltons. A tabela 1 demonstra adicionalmente que quando as membranas de nanofiltração (NF) com um MWCO na faixa de 150 a 300, foram empregadas, a recuperação de catalisador de enzima de hidrólise de celulose foi bastante aperfeiçoada, conforme medido pela atividade enzimática. t dados de Temperatura e Fluxo foram registrado somente para as entradas 6 e 7, as quais são representativas.

Experimentos de concentração de açúcar A glicose e xilose foram obtidas junto a Sigma-Aldrich. Uma solução de açúcar de teste que compreende 7,5% de glicose e 4,5% de xilose em água desionizada foi usada para os experimentos de concentração de açúcar. Dois tipos de membranas de osmose reversa (RO) foram empregados e são identificados no presente documento como membranas de osmose reversa do tipo AD e do tipo AG, disponíveis junto a GE Water and Process Technologies.

Os experimentos de concentração de açúcar foram executados com o uso de uma bancada de teste de fluxo cruzado com 10 células de teste de fluxo cruzado. Cinco células de teste foram carregadas com cupons de membrana RO do tipo AD e as outras cinco células foram carregadas com cupons de membrana RO do tipo AG. Cerca de dez galões de solução de açúcar foram usados nos experimentos de concentração de açúcar. Durante os experimentos, o fluxo de permeado foi enviado para um dreno de resíduos e não foi retornado para o tanque de alimentação. Entretanto, o fluxo de retentado (também mencionado no presente documento como o fluxo de concentrado) foi enviado de volta para o tanque de alimentação, de tal modo que a concentração de açúcar no tanque de alimentação aumentasse conforme uma função de tempo no decorrer do curso do experimento. As concentrações de glicose e xilose na alimentação e nas soluções de permeado em diversos intervalos de tempo foram determinadas com o uso de métodos HPLC conhecidos (Vide A. Sluiter, B. Hames, R. Ruiz, C. Scarlata, J. Sluiter e D.

Templeton “Determination of Sugars, Byproducts, and Degradation Products in Liquid Fraction Process Samples, Laboratory Analytical Procedure (LAP)”, NREL/TP-510-42623, janeiro de 2008). As concentrações de açúcar medidas no permeado e retentado foram usadas para calcular um valor de rejeição de açúcar por cento para cada uma dentre os dois tipos de membranas RO. Um fator de concentração de açúcar foi calculado por meio da divisão da concentração de açúcar no retentado em 2, 4 e 8 horas de operação contínua pela concentração de açúcar inicial no tanque de alimentação. A tabela 2 demonstra a eficácia das membranas RO evitando a transmissão de açúcares de baixo peso molecular no permeado. A rejeição de açúcar pelas membranas RO estudada foi excelente em fluxos de membrana na faixa a partir de cerca de 15 a cerca de 20 galões por pés quadrados por dia (gfd). Após 8 horas de operação do sistema de teste, a concentração de açúcar no tanque de alimentação aumentou a partir de 12% (7,5% de glicose e 4,5% de xilose) para 23,48%, em peso (14,64% de glicose e 8,83% de xilose).

Os valores têm por base 8 horas de operação contínua de uma bancada de teste de fluxo cruzado de 10 células.

Exemplo 1 Hidrólise enzimática de Bagaço Uma caldeira de resina revestida de quatro litros equipada com um agitador mecânico, entrada de nitrogênio, funil de adição, termopar e condensador foi carregada com 918 gramas de bagaço tratado com vapor úmido (61% de água) e 2030 mL de solução de tampão de citrato a cinco por (preparada a partir de 1670 mL de água desionizada e 360 mL de uma solução estoque de tampão de citrato preparada a partir de 210 gramas de ácido cítrico, 750 mL de água desionizada e hidróxido de sódio suficiente (50 a 60 gramas) para levar o pH da solução estoque para pH 4,3). A água adicional (800 mL) foi, então, adicionada até o ponto em que a mistura de alimentação se tornou agitável. O pH da mistura de alimentação foi de 5,94, enquanto que a faixa de pH visada para a hidrólise foi entre 4,8 e 5,2. Consequentemente, 5% de ácido clorídrico foram adicionados até que o pH fosse de cerca de 4,8. A agitação foi continuada por cerca de 2,5 horas, durante tal período, o pH tinha diminuído para cerca de 4,0. Consequentemente, a solução de hidróxido de sódio foi, então, adicionada até que o pH ficasse em uma faixa entre 4,8 e 5,2. A água adicional (300 mL) foi, então, adicionada e a mistura de alimentação foi agitada por outros 40 minutos. Uma solução (300 mL) que contém o catalisador de enzima de hidrólise de celulose, uma mistura de um para um de celulase e celobiase foi, então, adicionada à mistura de alimentação escura. O pH inicial foi de 4,85 e a temperatura inicial da mistura de alimentação foi de 50°C. A mistura de alimentação contendo agora o catalisador de enzima de hidrólise de celulose foi, então, aditada a 50°C por três dias, enquanto que se monitorava periodicamente tanto a temperatura da mistura de hidrólise como o pH da mesma. Após o resfriamento da mistura de produto de hidrólise resultante para cerca de 33°C, a mistura de produto de hidrólise foi separada em duas partes; uma primeira parte que representa cerca de um terço da mistura de produto de hidrólise e uma segunda parte que representa cerca de dois terços da mistura de produto de hidrólise. A primeira parte foi filtrada sem dificuldade através de papel filtro Whatman número 2 em um funil de Büchner para fornecer um primeiro bolo de filtrado que compreende bagaço parcialmente hidrolisado e/ou não hidrolisado recuperado e o primeiro filtrado.

O primeiro filtrado tinha a aparência de uma solução âmbar transparente. A segunda parte da mistura de produto de hidrólise foi transferida para uma centrífuga e centrifugada por cerca de 40 minutos para fornecer um segundo filtrado um tanto turvo e uma massa sólida de bagaço parcialmente hidrolisado e/ou não hidrolisado retido no forro de bolso da centrífuga. O segundo filtrado turvo foi, então, filtrado através de papel filtro Whatman número 2 em um funil de Büchner para fornecer um terceiro filtrado com uma aparência de âmbar transparente e uma quantidade insignificante de matéria sólida retida sobre o papel filtro. Os filtrados continham quantidades substanciais de glicose e xilose, conforme determinado por cromatografia líquida, assim como o catalisador de enzima de hidrólise de celulose.

Os exemplos mencionados anteriormente são somente ilustrativos, servindo para ilustrar somente algumas das características da invenção. As reivindicações em anexo são destinadas a reivindicar a invenção tão amplamente quanto tem sido concebido e os exemplos apresentados no presente documento são ilustrativos de modalidades selecionadas dentre uma variedade de todas as modalidades possíveis. Consequentemente, os requerentes pretendem que as reivindicações em anexo não devem ser limitadas pela escolha de exemplos utilizados para ilustrar as características da presente invenção. Para uso nas reivindicações, a palavra "compreende" e suas variantes gramaticais logicamente também subtendem e incluem frases de extensão variada e diferente, tal como, por exemplo, mas não limitado ao mesmo, "consiste essencialmente em" e "consiste em". Onde necessário, têm sido fornecidas faixas, aqueles faixas que são inclusivas de todas as subfaixas entre as mesmas. Deve-se esperar que as variações nestas faixas serão sugeridas por si mesmas para um elemento versado na técnica, e onde não já dedicado ao público, aquelas variações que deveríam, onde possível, ser interpretadas como incluídas pelas reivindicações em anexo. Também é previsto que os avanços na ciência e tecnologia irão fazer equivalentes e substituições possíveis que não são agora observadas por razão da imprecisão da linguagem e estas variações também deveríam ser interpretadas, onde possível, como incluídas pelas reivindicações em anexo.

Lista de partes 10 sistema e método para praticar o método de hidrólise enzimática fornecido pela presente invenção 14 material celulósico/sólidos celulósicos 20 reator de tanque agitado (sttr) reator de tanque agitado 20a primeiro reator de tanque agitado 20b segundo reator de tanque agitado 22 agitador 24 peneira no reator de tanque agitado 25/25a/25b saída de retentado 26/26a/26b válvulas de permeado/retentado 28/28a/28b nível de líquido nos reatores de tanque agitado e recipientes de separação de membrana 30 mistura de alimentação (fmix) que compreende água e um material celulósico 31 catalisador de enzima de hidrólise de celulose (chec) 32 mistura de produto de hidrólise (hpmix) 34 mistura de produto de hidrólise (hpm) após a remoção de sólidos 35 sólidos celulósicos recuperados 36/36a/36b solução de permeado aquosa (apermsol) 38/38a/38b retentado (reten) 39 solução de açúcar concentrada 40/40a/40b passagem de tempo 42/42a/42b etapa de transferência 50 separador de sólido-líquido (sis) 52/52a/52b recipiente de separação de membrana (memsepv) 54 bomba 55 válvula de pressão 60/60a/60b membrana de separação (sepm) 61 saída de permeado (permo) 70 água de reposição 72 material celulósico de reposição 74 catalisador de enzima de hidrólise de celulose de reposição.

Claims (15)

1. MÉTODO DE HIDROLISAR UM MATERIAL CELULÓSICO, caracterizado pelo fato de que compreendei (a) colocar uma mistura de alimentação que compreende água e um material celulósico em contato com um catalisador de enzima de hidrólise de celulose para produzir uma mistura de produto de hidrólise que compreende água, o catalisador de enzima e um ou mais açúcares de baixo peso molecular derivados a partir do material celulósico; e (b) separar a mistura de produto de hidrólise através de uma membrana para fornecer uma solução de permeado aquosa que compreende um ou mais açúcares de baixo peso molecular derivados a partir do material celulósico e um retentado que compreende o catalisador de enzima; em que a membrana tem um peso molecular de corte em uma faixa a partir de 200 a 2000, em que a solução de permeado é substancial mente livre do catalisador de enzima, em que o retentado é substancialmente desprovido de açúcares de baixo peso molecular derivados a partir do material celulósico e compreende substancialmente todo o catalisador de enzima,

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material celulósico é selecionado a partir do grupo que consiste em bagaço de cana de açúcar, palha de cana de açúcar, restos culturais de milho, miscanto, cana energética, cana-do-reino, painço amarelo, misturas gramíneas, aparas de madeira, serragem e misturas que compreendem dois ou mais dos materiais celulósicos mencionados anteriormente,

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material celulósico está inicialmente presente na dita mistura de alimentação em uma quantidade que corresponde a partir de 5 por cento, em peso, a 20 por cento, em peso, com base no peso inicial total da mistura de alimentação e no peso seco do material celulósico.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito contato é realizado em uma temperatura em uma faixa a partir de 20 a 80 °C.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ao menos 50 por cento do material celulósico inicialmente presente na mistura de alimentação é convertido para açúcares de baixo peso molecular.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que consiste em um processo contínuo.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que consiste em um processo por lotes.

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que consiste em um processo semicontínuo.

9. MÉTODO, de acordo com uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que o retentado serve como uma fonte tanto de água como do catalisador de enzima.

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o permeado compreende açúcares de baixo peso molecular em uma quantidade que corresponde a partir de 5 por cento, em peso, a 20 por cento, em peso, com base no peso total do permeado.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, uma etapa de concentrar o permeado para fornecer uma solução concentrada de açúcares de baixo peso molecular derivados a partir do material celulósico, a solução concentrada que tem uma concentração de açúcar de baixo peso molecular em uma faixa a partir de 15 por cento, em peso, a 40 por cento, em peso, com base no peso total da solução concentrada.

12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o retentado exibe ao menos 90% da atividade enzimática de uma mistura de alimentação inicial a partir da qual o mesmo é derivado.

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a separação da mistura de produto de hidrólise fornece o permeado aquoso que compreende cerca de cinquenta por cento de um peso total de açúcares de baixo peso molecular presentes na mistura de produto de hidrólise.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o permeado compreende os açúcares de baixo peso molecular, glicose e xilose.

15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material celulósico compreende bagaço de cana de açúcar, palha de cana de açúcar ou uma combinação dos mesmos.