BR102016028978A2 - método de tratamento preliminar para hidrólise enzimática melhorada - Google Patents

Abstract

método de tratamento preliminar para hidrólise enzimática melhorada a presente invenção descreve um método de produção de biomassa enriquecida com polissacarídeo hidrolisável e prontamente disponível a partir de biomassa lignocelulósica, retendo quantitativamente ao mesmo tempo carbohidratos e produzindo menos quantidades de inibidores. o método inclui o tratamento de biomassa lignocelulósica com uma solução aquosa sob elevadas temperaturas em uma etapa sequencial com uso de hidrato de hidrazina e sulfito de sódio. de acordo com a presente invenção, a biomassa também pode ser tratada com um consórcio de enzima de sacarificação para produzir açúcares fermentáveis.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “MÉTODO DE TRATAMENTO PRELIMINAR PARA HIDRÓLISE ENZIMÁTICA MELHORADA" CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se a um método de tratamento preliminar de biomassa que na sacarificação produz açúcares fermentáveis. O método inclui o tratamento de biomassa lignocelulósica sob elevadas temperaturas com hidrato de hidrazina e mistura de sulfito de metal de maneira que o carboidrato seja retido quantitativamente e quantidades menores de inibidores sejam formadas.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0002] Matérias primas celulósicas e lignocelulósicas e detritos tais como resíduos agrícolas, madeira, detritos florestais, resíduos derivados da fabricação de papel e resíduos sólidos urbanos e industriais, fornecem uma matéria prima renovável potencialmente grande para a produção de produtos químicos e combustíveis já que são as mais abundantes e baratas. Biomassas lignocelulósicas são compostas principalmente de celulose, hemicelulose e lignina. Outros componentes não-estruturais (fenóis, taninos, gorduras, esteróis, açúcares, amidos proteínas e cinzas) do tecido vegetal geralmente perfazem 10% ou menos do peso em seco da biomassa.

[0003] Diferentes tipos de biomassa, tais como plantas lenhosas, plantas herbáceas, framíneas, plantas aquáticas, culturas agrícolas e resíduos, resíduos urbanos sólidos e adubos, contém quantidades variáveis de celulose, hemicelulose, lignina e extrativos. Celulose é o polissacarídeo mais abundante em todas as plantas e consiste principalmente de glucose, perfazendo aproximadamente 50% do peso da planta. A cadeia celulósica que forma fibrilas consiste de de aproximadamente 10,000 unidades de glucose. O material celulósico apresenta um domínio cristalino separado do domínio amorfo, menos ordenado que permite o ataque químico e bioquímico, por outro lado; hemicelulose é um heteropolímero altamente ramificado, curto (100-200 unidades de açúcar) consistindo predominantemente de xilose assim como glucose, manose, galactose, arabinose e outros ácidos urônicos. Açúcares C5 e C6 são ligados por ligações 1,3-, 1,6- ou 1,4-glucosídicas. Muitas vezes esses açúcares são acetilados em grupos hidroxila primários. Fibrilas celulósicas são incorporadas em uma rede de matriz amorfa de hemicelulose e lignina, e eles servem como colas entre as células vegetais, fornecendo resistência à biodegradação.

[0004] Biomassa lignocelulósica (LCB) é o material mais abundante economicamente disponível do mundo e tem sido considerado uma fonte potente de produção de etanol devido à sua fácil disponibilidade e riqueza em açúcares. Esses açúcares em fermentação produzem etanol. LCB é composto de celulose, hemicelulose e lignina além de extrativos e cinza. Celulose é um polissacarídeo consistindo em cadeias lineares de unidades de p-<l-4)-D-glucopiranose. Hemicelulose é um heteropolímero composto de xilano, arabinoxilanos, xiloglucano, glucuronoxilano e glucomanano, enquanto lignina é um biopolímero complexo de mono-lignóis depositados nas paredes celulares de LCB, que fornece basicamente resistência a LCB. LCB necessita ser previamente tratado para destruir a matriz de parede de célula de biomassa e torná-la acessível a hidrólise enzimática. Subsequentemente hidrólise enzimática que utiliza celulases leva a uma produção de açúcares que na fermentação resulta na produção de etanol.

[0005] O tratamento preliminar e a etapa mais dispendiosa e trabalhosa em termos de energia para a produção de etanol. Várias tecnologias de tratamento preliminar têm sido exploradas tal como explosão de vapor mecânica, AFEX, hidrólise ácida, organosolve, hidrólise alcalina, tratamento prévio com cal, água quente e tratamento prévio com amônia.

[0006] Entre todos, o tratamento preliminar é alcalino vem recebendo cada vez mais interesse. O uso de um álcali possibilita a degradação de ester e cadeias laterais glicosídicas resultando em alteração estrutural de lignina, intumescimento de celulose, descristalização parcial de celulose, e solvatação parcial de hemi celulose. Isso facilita a acessibilidade enzimática e melhora a conversão de celulose.

[0007] Para tratamento preliminar alcalino, o hidróxido de sódio tem sido extensivamente estudado por muitos anos. Ele demonstrou quebrar a estrutura de lignina da biomassa, aumentando a acessibilidade de enzimas a celulose e hemi celulose. Outro álcali que tem sido usado para o tratamento preliminar de biomassa é cal. As limitações associadas ao tratamento preliminar alcalino são baixo carregamento de sólido, natureza pegajosa de biomassa, etapa de lavagem extensiva antes da sacarificação enzimática.

[0008] Ultimamente, solventes verdes como líquidos iônicos (ILs) vieram para dissolver celulose. Mas, ILs são caros e precisam ser sintetizados a um custo mais baixo e em uma escala maior. Outro solvente bastante usado, o N-óxido de N-metil morfolina (NMMO), também conhecido como o solvente Lyocell é usado comercialmente para produzir fibras Tencel. NMMO apresenta todas as vantagens de ILs e pode ser recuperado em até >99% do solvente. Mas, a elevada temperatura exigida e o custo de recuperação NMMO exige mais pesquisa para avaliar e melhorar os fatores econômicos de seu uso para tratamento preliminar de biomassa e integrá-lo com a hidrólise enzimática.

[0009] Misturas de dissolvição de celulose tiverem interesse para a polpação de madeira e modificação de celulose para formar membranas etc. Jhau e Zhang (2000) descreveram Sistema de solvente de NaOH-uréia para formar membranas de celulose com elevada resistência à tração e estabilidade de armazenamento (Polimer Journal, 2000 (32) 866-870).

[0010] Solventes de amina tais como alcanolaminas, alquileno diamine e poli alquileno poliamidas com propriedades básicas acentuadas são capazes de deslignificar madeira e outras matérias primas lignocelulósicas para produzir polpa. A desvantagem associada com relação ao uso desses compostos envolve tempos de reação relativamente longos e/ou elevadas temperaturas e pressões para obter deslignificação eficiente. Porém, esta limitação pode ser resolvida pelo uso de compostos como quinonóides ou hidroquinonóides que aumentaram muito a taxa de remoção de lignina durante a polpação.

[0011] Processos a base de amônia como explosão de fibra de amônia (AFEX) é outro processo que exige temperaturas moderadas. Provisão para recuperar amônia oferece a viabilidade econômica à técnica. Porém, limitações também podem ser vistas na forma de custos durante a reciclagem de amônia e tratamento de produtos químicos que estão sendo usados. Portanto, complexos de ignina-carboidrato são clivados e a lignina é depositada nas superfícies da biomassa causando possivelmente bloqueio de celulases à celulose.

[0012] Amônia e aminas penetram em cristais de cellulose formando complexos cristalinos (Clark and Parker 1937; Davis et al. 1943; Klenkova 1967). Hidrazina (N2H4), a diamina mais simples com odor semelhante ao de amônia é conhecido por dissolver celulose a elevada temperatura e pressão (Kolpak et al. 1977), mas ela também forma complexos estáveis com celulose I e II sob temperatura ambiente e pressão ambiente (Lee and Blackwell 1981; Lee et al. 1983). Esta interação tem sido utilizada em muitos processos industriais para aumentar a acessibilidade e suscetibilidade química (Yanai and Shimizu 2006) e enzimática (Igarcinzai et al. 2007) de celulose. Hidrazina tem sido recentemente destacada como o combustível para uma célula de combustível de novo tipo que pode contribuir para reduzir emissão de dióxido de carbono (Asazawa et al. 2007). As maiores desvantagens de hidrazina são sua toxicidade e volatilidade.

[0013] No documento patentário do estado da técnica US 20090298149 A1, sulfito/bissulfito tem sido usado para tratar previamente lascas de madeira para produção de etanol. Sulfonatação de lignin aumenta sua hidrofilicidade que promoverá o processo de hidrólise enzimática. Adicionalmente, também foi mencionado no documento patentário do estado da técnica US5049661 A, que a adição de alguma quantidade de outros sais como sulfitos, cloretos de metal em no tratamento de ácido diluído preliminar melhorou a hidrólise enzimática pela delignificação da biomassa, que reduz a quantidade de celulase significativamente e por sua vez produz baixa quantidade de inibidores.

[0014] Portanto, haverá sempre a necessidade da etapa de tratamento preliminar eficiente que resulte na produção de baixas quantidades de inibidores no tratamento preliminar de hidrolisado e permanece a quantidade máxima de celulose na biomassa.

[0015] Conforme mencionado no documento patentário do estado da técnica WO 2015063549, para hidrolizar os polissacarídeos de biomassa em açúcares fermentáveis, por exemplo por despolimerização, processos de tratamento preliminar tais como explosão de vapor, tratamento de ácido suave, tratamento de ácido forte, tratamento de amônia, tratamento alcalino, etc. são empregados. Tratamento preliminar é inicialmente usado para tornar polissacarídeos de biomassa lignocelulósica mais facilmente acessível a enzimas celulolíticas. O processo de tratamento preliminar deve ser compatível com o meio ambiente e economicamente realizável. O método de tratamento preliminar será selecionado considerando a dependência do processo e do custo assim como parâmetros de rendimento e de produção. Uma vez que o custo maior do processo de conversão é devido ao tratamento preliminar de alimentação de biomassa e enzimas, é necessário minimizar o uso de enzimas e obter a conversão máxima dos carboidratos em etanol. Por esses motivos, uma quantidade considerável de trabalho de pesquisa tem sido feita para o desenvolvimento de meios para tratar previamente a biomassa lignocelulósica de tal modo que ela se torne mais acessível a enzimas celulósicas.

[0016] O documento patentário US4178861 A descreve liquor a base de amina contendo uma quinona ou composto de hidroquinona para deslignificação de material lignocelulósico para fabricação de papel ou de papelão. Entre as etanolaminas, monoetanolamina foi o compost preferido. Alquileno diaminas preferidas são aquelas diaminas alcanos inferiores tais como diamina-alcanos inferiores tais como etileno diaminas e propileno diaminas. Poli alquileno poliaminas preferidas são derivados das alquileno diaminas inferiores tais como di etilenotriamina e tri etilenotetramina.

[0017] O documento patentário US4826567 A descreve um processo para a deslignificação de substâncias celulósicas sendo que a hidrazina foi adicionada na terceira etapa de tratamento. As duas etapas anteriores são compostas de tratamento da biomassa com ácido e peróxido de hidrogênio. A invenção refere-se a um processo para a deslignificação de substâncias lignocelulósicas para preparação de polpas concebidas para fabricação de papel.

[0018] Sistema de N-metil morfolina-N-óxido (NMM0)/H20 desenvolvido por Chanzy et al. (Chanzy, H., et al., J Polim Sei: Polim Lett Ed (1979) 17:219-226) foi industrializado para a fiação de solvente de celulose. O produto fiado por esse processo é vendido sob as marcas registradas TENCEL(R) e COURTAULDS LYOCELL(R) pela Courtaulds Fibres (Holdings) Limited, Londres, Inglaterra, Reino Unido. A vantagem desse solvente é sua capacidade de fixar concentrações excessivamente elevadas de celulose (por exemplo 35% p/p em DP600) e soluções anisotrópicas, o primeiro descrito em celulose não-derivatizada. See Chanzy, H. and Peguy, A., J Polim Sei: Polim Phys Ed (1980) 18:1137-1144. Porém, o Sistema NMM0/H20 apresenta desvantagens significativas associadas ao seu uso, por exemplo elevada temperatura exigida para dissolução; a degradação de celulose; reações laterais do solvente propriamente dito sem um antioxidante (Potthast, A., et al., Holzforschung (2000) 54:101-103); e seu elevado custo.

[0019] O documento patentário US2003136304 (A1) descreve um sistema de solvente que não ο NMMO-/H20 compreendendo um solvente a base de amina para celulose. Sistema de hidrazina (NH2NH2)/sal foi descoberto como sendo um excelente solvente para celulose. Mesmo sob temperatura ambiente as combinações de hidrazina e lítio, sódio e tiocianato de potássio apresentaram elevado poder de dissolução para celulose até 18% p/p máximo não relacionado ao polimorfo, enquanto a combinação com tiocianato de amônio exibiu uma diferença de solubilidade entre celulose I, II, e III.

[0020] Adicionalmente, no documento patentário do estado da técnica US 4178861 A, é descrito que a adição de alguma quantidade de outros sais como quiononas, sulfitos, tiocianatos de metal melhorou a deslignificação de material lignocelulosico ou melhorou a solubilização de celulose com uma implicação em hidrólise enzimática melhorada. Portanto foi feita pesquisa no estado da técnica que usa hidrazina com outros sais como sulfitos, cloretos de metal. O estado da técnica relacionado a essa pesquisa fornece o seguinte: [0021] No documento patentário do estado da técnica US 20090298149 A1, sulfito/bisulfito tem sido usado para tratamento preliminar de lascas de madeira para produção de etanol. Sulfonatação de lignina aumenta sua hidrofilicidade, que promoverá o processo de hidrólise enzimática. O lignosulfonato por sua vez tem sido usado como produtos químicos para campos petrolíferos, emulsificantes de pesticida, auxiliares de tingimento e acabamento para têxteis, que podem ser obtidos a partir da solução tratada previamente de sulfito concentrada. Na prática industrial para mais de um século, polpação de sulfite tem sido e pode ser operada em uma ampla faixa de pH e temperatura. Os reagentes ativos em liquor de tratamento preliminar de sulfito também dependem do pH da temperatura de tratamento preliminar. No estado da técnica, sulfonatação tem sido aumentada devido à catálise ácida ou alcalina.

[0022] J.Y. Zhu et al. ("Sulfite Tratamento preliminar (SPORL) for robust sacarificação enzimática of spruce and red pine"; Bioresource Technology 100 (2009) 2411-2418) descreve tratamento preliminar de sulfite para supercar a recalcitrância de ligno cellulose para a bioconversão eficiente de madeiras macias.

[0023] O documento patentário US 20090298149 A1 descreve um método que utiliza tratamento preliminar de sulfito para superar a recalcitrância de ligno celulose (SPORL). Mais especificamente, ele se refere a um processo químico a base de sulfito para tratamento preliminar de biomassa em soluções para reduzir barreiras de acesso de enzimas à ligno celulose, resultando na conversão eficiente através da sacarificação enzimática.

[0024] O documento patentário US 2009/0298149 A1 descreve um método que usa tratamento preliminar a base de sulfito para superar a recalcitrância de ligno celuloses (SPORL). Mais, especificamente, ele se refere a um processo químico a base de sulfito para tratamento preliminar de biomassa em soluções para reduzir barreiras de acesso de enzimas às ligno celuloses, resultando na conversão eficiente através de sacarificação enzimática.

[0025] Existe também a necessidade no estado da técnica de produzir etanol a partir de biomassa ligno-celulósica (LCB) envolvendo as etapas de tratamento preliminar, hidrólise enzimática seguida de fermentação. Particularmente existre também a necessidade no estado da técnica de um processo de tratamento preliminar pelo qual efeitos benéficos na hidrólise enzimática subsequente como quantidades muito baixas de inibidores são gerados no tratamento preliminar e elevadas quantidades de açúcares são liberadas durante a hidrólise enzimática são melhores do que os métodos descritos no estado da técnica.

[0026] Um dos grandes desafios de tratamento preliminar de biomassa é minimizer a extração ou neutralização química da lignina minimizando a perda de carboidrato (celulose mais hemi celulose) via processos eficientes de baixo custo.

[0027] Um dos maiores desafios de tratamento preliminar de biomassa é maximizar a extração ou neutralização química (com relação a ligação não-produtiva de enzimas celulolíticas) da lignina minimizando ao mesmo tempo a perda de carboidratos (celulose mais hemi celulose) via baixo-custo, processos eficientes. Quanto mais elevada a seletividade, mais elevado o rendimento geral de açúcares monoméricosapós tratamento preliminar combinado e sacarificação enzimática.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

[0028] A presente invenção provê um método de tratamento preliminar de biomassa, que em sacarificação produz açúcares fermentáveis. Mais particularmente, a presente invenção provê um método de produção de biomassa enriquecida com polissacarídeos hidrolisável que compreende o tratamento de biomassa com mistura aquosa de hidrato de diamina e composto de enxofre e remoção de hidrolisato a partir de produto final para obter resíduos de biomassa enriquecida com polissacarídeos hidrolisável.

[0029] De acordo com uma concretização da presente invenção, o método também sendo composto do tratamento dos resíduos de biomassa enriquecida com polissacarídeos hidrolisável com água ou outro solvente orgânico para remover lignina.

[0030] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, a biomassa é suspensa na mistura aquosa de hidrato de diamina e composto de enxofre.

[0031] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, a biomassa é tratada com mistura aquosa de hidrato de diamina e composto de enxofre sob elevada temperatura.

[0032] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, o tratamento de biomassa com mistura aquosa de hidrato de diamina e composto de enxofre é feito sob temperatura que varia entre 80-20°C por aproximadamente 5 minutos a 4 horas.

[0033] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, na mistura aquosa de hidrato de diamina e composto de enxofre, o hidrato de diamina está presente na faixa de 1-99% (p/p) e o composto de enxofre está presente na faixa de 0.1-10% (p/p).

[0034] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, o hidrato de diamina é selecionado de hidrato de hidrazina.

[0035] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, o composto de enxofre é selecionado de dióxido de enxofre, bissulfato, sulfeto de sódio e sulfito de sódio.

[0036] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, o composto de enxofre é selecionado de sulfito de sódio.

[0037] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, a biomassa é biomassa lignocelulósica.

[0038] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, a biomassa é despedaçada para reduzir tamanho de partícula de 1 mm a 20 mm.

[0039] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, a biomassa é selecionada de pedúnculo de algodão, talo de mostarda, caule de trigo, palha de trigo e palha de arroz.

[0040] De acordo com outra concretização da presente invenção, o método também composto de sacarificação enzimática da biomassa enriquecida com polissacarídeos hidrolisável pela colocação m contato do mesmo com consórcio de enzima de sacarificação para produzir açúcares fermentáveis.

[0041] De acordo com uma concretização, a presente invenção descreve um método de produção de biomassa lignocelulósica enriquecida com polissacarídeo hidrolisável prontamente disponível retendo ao mesmo tempo carboidratos e produzindo quantidades menores de inibidores. O método inclui tratamento de biomassa lignocelulósica com uma solução aquosa sob elevadas temperaturas em uma etapa sequencial utilizando hidrato de hidrazina e sulfito de sódio.

[0042] De acordo com outra concretização, a biomassa também pode ser tratada com um consórcio de enzima de sacarificação para produzir açúcares fermentáveis. Esses açúcares podem ser submetidos a processamento posterior para a produção de etanol.

BREVE DESCRIÇÃO DA FIGURA

[0043] A figura 1 mostra hidrólise enzimática de palha de trigo (sólida) obtida após tratamento preliminar sob diferentes condições. O rendimento de glucose foi calculado como uma porcentagem de glucose teórica presente em resíduo sólido.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0044] Embora a invenção seja suscetível a várias modificações e formas alternativas, concretização específica desta será descrita a seguir detalhadamente. Naturalmente que ela não é concebida para limitar a invenção às formas específicas descritas, mas ao contrário, a invenção deve abranger todas as modificações, equivalents e alternativas que estiverem dentro do escopo da invenção conforme definido pelas reivindicações anexas.

[0045] A presente invenção provê um método de produção de biomassa enriquecida com polissacarídeos hidrolisável que compreende o tratamento de biomassa com mistura aquosa de hidrato de diamina e composto de enxofre e remoção de hidrolisado de produto final a fim de obter resíduos de biomassa enriquecida com polissacarídeos hidrolisável.

[0046] De acordo com uma concretização da presente invenção, o método também compreende o tratamento dos resíduos de biomassa enriquecida com polissacarídeos hidrolisável com água ou outro solvente orgânico para remover lignina.

[0047] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, a biomassa é suspensa na mistura aquosa de hidrato de diamina e composto de enxofre.

[0048] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, a biomassa é tratada com mistura aquosa de hidrato de diamina e composto de enxofre sob elevada temperatura.

[0049] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, o tratamento de biomassa com mistura aquosa de hidrato de diamina e composto de enxofre é feito sob temperatura que varia entre 80-20°C por aproximadamente 5 minutos a 4 horas.

[0050] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, na mistura aquosa de hidrato de diamina e composto de enxofre, o hidrato de diamina está presente na faixa de 1-99% (p/p) e o composto de enxofre está presente na faixa de 0.1-10% (p/p).

[0051] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, o hidrato de diamina é selecionado de hidrato de hidrazina.

[0052] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, o composto de enxofre é selecionado de dióxido de enxofre, bissulfato, sulfeto de sódio e sulfito de sódio.

[0053] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, o composto de enxofre é selecionado de sulfito de sódio.

[0054] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, a biomassa é biomassa lignocelulósica.

[0055] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, a biomassa é despedaçada para reduzir o tamanho de partícula de 1 mm a 20 mm.

[0056] De acordo com a concretização preferida da presente invenção, a biomassa é selecionada de pedúnculo de algodão, talo de mostarda, caule de trigo, palha de trigo e palha de arroz.

[0057] De acordo com outra concretização da presente invenção, o método também compreende a sacarificação enzimática da biomassa enriquecida com polissacarídeos hidrolisável pela colocação em contato do mesmo com consórcio de enzima de sacarificação para produzir açúcares fermentáveis.

[0058] Na presente invenção, variedades de biomassas são tratadas com mistura de sulfito de sódio e hidrato de hidrazina sob elevada temperaturas. A solução aquosa de sulfito de sódio e hidrato de hidrazina é usada para produzir biomassa enriquecida com carboidrato que é levemente suscetível à sacarificação enzimática, produzindo rendimentos muito altos de açúcares fermentáveis (glucose, assim como xilose) para bioconversão a produtos-alvo (por exemplo, etanol, produtos químicos de valor agregado e combustíveis). Surpreendentemente, o uso desses vapores na presente descrição resultou na fragmentação de lignina bastante melhorada e extração e retenção de carboidrato elevada resultando em redução de custos bastante significativa da etapa de tratamento preliminar de biomassa.

[0059] Monohidrato de hidrazina é uma base forte e é reativa para clivar grupos éster de preferivelmente acetatos de modo similar a outros nucleófilos básicos. A presente invenção descreve que a mistura de hidrazina e sulfito também melhora a recuperação de açúcar pelo aumento da hidrólise enzimática. Na presente invenção, biomassa é previamente tratada utilizando-se apenas hidrazina, somente sulfito de sódio ou uma combinação de ambos. Além disso, o presente processo produziu baixas quantidades de inibidores no tratamento preliminar de hidrolisado e quantidade máxima retida de celulose na biomassa.

[0060] De acordo com a presente invenção, o método de produção de biomassa enriquecida com polissacarídeos hidrolisável lignoceluiósica compreende: (a) provisão de biomassa; (b) suspensão da biomassa de (a) em uma mistura aquosa de hidrato de hidrazina e sulfito de sódio (variando de 1-99% e 0.1-10% respectivamente); (c) aquecimento da suspensão de biomassa a uma temperatura de aproximadamente 80-200°C mais preferivelmente de 120-180°C por aproximadamente 5 minutos a aproximadamente 4 horas, mais preferivelmente 10 a 80 minutos; e (d) remoção de hidrolisado obtido por pré-tratamento de biomassa.

[0061] Matérias primas de Biomassa lignoceluiósica e resíduos tais como resíduos agrícolas, madeira, resíduos florestais, fabricação de pasta de papel, e resíduos sólidos urbanos e industriais, fornecem matéria prima renovável potencialmemente grande para a produção de produtos químicos, plásticos, combustíveis e rações. Matérias primas celulósicas e lignocelulósicas e resíduos, compostos de celulose, hemi celulose, pectinas e lignin, são em geral tratados através de uma variedade de agentes químicos, mecânicos e enzimáticos a fim de liberar principalmente açúcares hexose e pentose que podem então ser fermentados formando produtos úteis.

[0062] Em outra concretização a invenção provê um método de fragmentação de polissacarídeos de biomassa lignoceluiósica para produzir uma biomassa melhorada, o método compreendendo as etapas de: (a) provisão de: 1) biomassa lignocelulósica; 2) solução aquosade hidrazina e sulfito de sódio em água (variando de 1-99% e 0.1-10% respectivamente); e (b) colocação em contato de dita biomassa com a solução aquosa de hidrato de hidrazina e sulfito de sódio para formar uma pasta; (c) colocação da pasta em um recipiente de pressão vedado sendo que a mistura de (b) é aquecida a uma temperatura de aproximadamente 100°C a aproximadamente 200°C por aproximadamente 10 a 60 minutos; (d) remoção do hidrolisado líquido de (c) por filtração; e (e) lavagem da biomassa residual com água, sendo produzida biomassa previamente tratada substancialmente.

EXEMPLOS

[0063] Os exemplos seguir são ilustrativos da invenção, mas não concebidos para limitar o escopo da presente invenção.

[0064] Exemplo 1. Tratamento preliminar com apenas água [0065] 100g de biomassa despedaçada (palha de trigo) foram colocados em unidade de reator a elevada pressão (HPR). A biomassa foi suspensa em água perfazendo um volume total de mistura em 1L. A reação foi deixada prosseguir por 30 minutos a 150oC e 300 RPM, após o que iniciou o resfriamento. O conteúdo sólido total foi estimado e a pasta foi filtrada a fim de obter hidrolisado rico em xilose e resíduo rico em celulose.

[0066] A mistura pré-tratada de palha de trigo foi então filtrada através de um pano de musselina e a biomassa residual foi lavada com água destilada até o pH chegar a aproximadamente 7. O hidrolisado (parte líquida) se acídico foi neutralizado pelo uso de CaCO-^ e o uso de HCI se alcalino. Concentração de açúcares e inibidores em hidrolisado rico em xilose recebidos após tratamento preliminar foi medida por HPLC (Waters, USA) com detector de índice refrativo após protocolo NREL. A coluna usada para análise de açúcar foi Aminex HPX-87P mantida a 75 °C e água milli-Q foi usada como fase móvel a 0. 6 ml/min. Inibidores foram analisados pelo uso de coluna Biorad Aminex HPX-87H a 50 °C, 0.008N H2S04 na taxa de fluxo de 0.6 ml/min como fase móvel e com uso de detector UV a 280 nm. Ambas as colunas foram equipadas com colunas de guarda adequadas. A concentração de inibidores e açúcares monoméricos obtidos estão indicados na tabela 1.

SACARIFICAÇÃO ENZIMÁTICA

[0067] Os resíduos obtidos da biomassa pré-tratada foram lavados com água e equilibrados com uso de 0.05 M de tampão de citrato de sódio (pH 4.8). 2 gm de resíduos pré-tratados (base seca) foram colocados em um frasco cônico rolhado de 250 ml. 100 pl de solução de azida de sódio a 2% (para evitar a contaminação microbiana) e tampão de citrato de sódio (0.05 M, pH 4.8) foram adicionados para perfazer um volume final de 20 ml. O conteúdo do frasco foi colocado em um incubador de agiração a 50 oC e 175 rpm por 30 minutos e 10 unidades de papel de filtro (FPU) de CelicCtech3 (Novozymes, India) por grama de biomassa pré-tratada foram adicionados. Alíquotas de amostra de 200 ul foram retiradas periodicamente após 2, 4, 6, 24 e 48hs e centrifugadas a 10,000 x g por 10 minutos e analisadas quanto a açúcares individuais (celobiose, glucose e xilose) no sobrenadante com uso de HPLC conforme acima descrito. As conversões de hidrólise enzimática após 48hs estão indicadas na tabela 13. A eficiência de hidrólise foi calculada como porcentagem de glucose obtida com relação a glucose teórica presente na palha de trigo previamente tratada e mostrada na figura 1.

[0068] Tabela 1: Condição de tratamento preliminar, Concentração de açúcares monoméricos e toxinas em hidrolisado ácido e composição química de palha de trigo pré-tratada (PTWS).

[0069] Sacarificação enzimática do resíduo sólido foi feita conforme descrito no exemplo 1 e conversão em 48 hs aparece indicada na tabela 13.

[0070] Exemplo 2. Tratamento preliminar com hidrato de hidrazina a 2%.

[0071] 100g de biomassa despedaçada (palha de trigo) foram colocados em unidade de reator a elevada pressão (HPR). Solução aquosa de hidrato de hidrazina a uma concentração final de 2% (p/p) foi colocada para perfazer um volume de até 1L. A reação foi deixada prosseguir por 30 minutos a 150 °C e 300 RPM, após o que iniciou o resfriamento. O conteúdo sólido total foi estimado e a pasta foi filtrada a fim de obter hidrolisado rico em xilose e resíduo rico em celulose.

[0072] O hidrolisado foi processado para análise de açúcar e inibidor com uso de HPLC conforme descrito no exemplo 1. A concentração de inibidores e açúcares monoméricos obtida está indicada na tabela 2.

[0073] Sacarificação enzimática do resíduo sólido foi feita conforme descrito no exemplo 1 e conversão em 48hs aparece indicada na tabela 13. A eficiência de hidrólise foi calculada como porcentagem de glucose obtida com relação à glucose teórica presente na palha de trigo pré-tratada conforme mostrado na figura 1.

[0074] Tabela 2: Condição de tratamento preliminar, concentração de açúcares monoméricos e toxinas em hidrolisado ácido e composição química de palha de trigo pré-tratada (PTWS).

[0075] Exemplo 3. Tratamento preliminar com hidrato de hidrazina a 5%.

[0076] 100g de biomassa despedaçada (palha de trigo) foram colocados em unidade de reator a elevada pressão (HPR). Solução aquosa de hidrato de hidrazina a uma concentração final de 5% (p/p) foi colocada para perfazer um volume de até 1L. A reação foi deixada prosseguir por 30 minutos a 150 °C e 300 RPM, após o que iniciou o resfriamento. O conteúdo sólido total foi estimado e a pasta foi filtrada a fim de obter hidrolisado rico em xilose e resíduo rico em celulose.

[0077] O hidrolisado foi processado para análise de açúcar e inibidor com uso de HPLC conforme descrito no exemplo 1. A concentração de inibidores e açúcares monoméricos obtida está indicada na tabela 3.

[0078] Sacarificação enzimática do resíduo sólido foi feita conforme descrito no exemplo 1 e conversão em 48hs aparece indicada na tabela 13. A eficiência de hidrólise foi calculada como porcentagem de glucose obtida com relação à glucose teórica presente na palha de trigo pré-tratada conforme mostrado na figura 1.

[0079] Tabela 3: Condição de tratamento preliminar, concentração de açúcares monoméricos e toxinas em hidrolisado ácido e composição química de palha de trigo pré-tratada (PTWS).

[0080] Exemplo 4. Tratamento preliminar com hidrato de hidrazina a 10%.

[0081] 100g de biomassa despedaçada (palha de trigo) foram colocados em unidade de reator a elevada pressão (HPR). Solução aquosa de hidrato de hidrazina a uma concentração final de 10% (p/p) foi colocada para perfazer um volume de até 1L. A reação foi deixada prosseguir por 30 minutos a 150 °C e 300 RPM, após o que iniciou o resfriamento. O conteúdo sólido total foi estimado e a pasta foi filtrada a fim de obter hidrolisado rico em xilose e resíduo rico em celulose.

[0082] O hidrolisado foi processado para análise de açúcar e inibidor com uso de HPLC conforme descrito no exemplo 1. A concentração de inibidore e açúcares monoméricos obtida está indicada na tabela 4.

[0083] Sacarificação enzimática do resíduo sólido foi feita conforme descrito no exemplo 1 e conversão em 48 hs aparece indicada na tabela 13. A eficiência de hidrólise foi calculada como porcentagem de glucose obtida com relação à glucose teórica presente na palha de trigo pré-tratada conforme mostrado na figura 1.

[0084] Tabela 4: Condição de tratamento preliminar, concentração de açúcares monoméricos e toxinas em hidrolisado ácido e composição química de palha de trigo pré-tratada (PTWS) [0085] Exemplo 5. Tratamento preliminar com hidrato de hidrazina a 2% e sulfito de sódio a 0,25%.

[0086] 100g de biomassa despedaçada (palha de trigo) foram colocados em unidade de reator a elevada pressão (HPR). Solução aquosa de hidrato de hidrazina e sulfito de sódio a uma concentração final de 2% (p/p) e 0.25% (p/p) foi colocada para perfazer um volume de até 1L. A reação foi deixada prosseguir por 30 minutos a 150 °C e 300 RPM, após o que iniciou o resfriamento. O conteúdo sólido total foi estimado e a pasta foi filtrada a fim de obter hidrolisado rico em xilose e resíduo rico em celulose.

[0087] O hidrolisado foi processado para análise de açúcar e inibidor com uso de HPLC conforme descrito no exemplol. A concentração de inibidores e açúcares monoméricos obtida está indicada na tabela 5.

[0088] Sacarificação enzimática do resíduo sólido foi feita conforme descrito no exemplo 1 e conversão em 48hs aparece indicada na tabela 13. A eficiência de hidrólise foi calculada como porcentagem de glucose obtida com relação à glucose teórica presente na palha de trigo pré-tratada conforme mostrado na figura 1.

[0089] Tabela 5: Condição de tratamento preliminar, concentração de açúcares monoméricos e toxinas em hidrolisado ácido e composição química de palha de trigo pré-tratada (PTWS).

[0090] Exemplo 6. Tratamento preliminar com hidrato de hidrazina a 2% e sulfito de sódio a 0,5%.

[0091] 100g de biomassa despedaçada (palha de trigo) foram colocados em unidade de reator a elevada pressão (HPR). Solução aquosa de hidrato de hidrazina e sulfito de sódio a uma concentração final de 2% (p/p) e 0. 5% (p/p) foi colocada para perfazer um volume de até 1L. A reação foi deixada prosseguir por 30 minutos a 150 °C e 300 RPM, após o que iniciou o resfriamento. O conteúdo sólido total foi estimado e a pasta foi filtrada a fim de obter hidrolisado rico em xilose e resíduo rico em celulose.

[0092] O hidrolisado foi processado para análise de açúcar e inibidor com uso de HPLC conforme descrito no exemplo 1. A concentração de inibidores e açúcares monoméricos obtida está indicada na tabela 6.

[0093] Sacarificação enzimática do resíduo sólido foi feita conforme descrito no exemplo 1 e conversão em 48hs aparece indicada na tabela 13. A eficiência de hidrólise foi calculada como porcentagem de glucose obtida com relação à glucose teórica presente na palha de trigo pré-tratada conforme mostrado na figura 1.

[0094] Tabela 6: Condição de tratamento preliminar, concentração de açúcares monoméricos e toxinas em hidrolisado ácido e composição química de palha de trigo pré-tratada (PTWS).

[0095] Exemplo 7. Tratamento preliminar com hidrato de hidrazina a 5% e sulfito de sódio a 0,25% [0096] 100g de biomassa despedaçada (palha de trigo) foram colocados em unidade de reator a elevada pressão (HPR). Solução aquosa de hidrato de hidrazina e sulfito de sódio a uma concentração final de 5% (p/p) e 0.25% (p/p) respectivamente foi colocada para perfazer um volume de até 1L. A reação foi deixada prosseguir por 30 minutos a 150 °C e 300 RPM, após o que iniciou o resfriamento. O conteúdo sólido total foi estimado e a pasta foi filtrada a fim de obter hidrolisado rico em xilose e resíduo rico em celulose.

[0097] O hidrolisado foi processado para análise de açúcar e inibidor com uso de HPLC conforme descrito no exemplo 1. A concentração de inibidores e açúcares monoméricos obtida está indicada na tabela 7.

[0098] Sacarificação enzimática do resíduo sólido foi feita conforme descrito no exemplo 1 e conversão em 48hs está indicada na tabela 13. A eficiência de hidrólise foi calculada como porcentagem de glucose obtida com relação à glucose teórica presente na palha de trigo pré-tratada conforme mostrado na figura 1.

[0099] Tabela 7: Condição de tratamento preliminar, Concentração de açúcares monoméricos.

[0100] Exemplo 8. Tratamento preliminar com hidrato de hidrazina a 5% e sulfito de sódio a 0,5% [0101] 100g de biomassa despedaçada (palha de trigo) foram colocados em unidade de reator a elevada pressão (HPR). Solução aquosa de hidrato de hidrazina e sulfito de sódio a uma concentração final de 5% (p/p) e 0.5% (p/p) respectivamente foi colocada para perfazer um volume de até 1L.A reação foi deixada prosseguir por 30 minutos a 150 °C e 300 RPM, após o que iniciou o resfriamento. O conteúdo sólido total foi estimado e a pasta foi filtrada a fim de obter hidrolisado rico em xilose e resíduo rico em celulose.

[0102] O hidrolisado foi processado para análise de açúcar e inibidor com uso de HPLC conforme descrito no exemplo 1. A concentração de inibidores e açúcares monoméricos obtida está indicada na tabela 8.

[0103] Sacarificação enzimática do resíduo sólido foi feita conforme descrito no exemplo 1 e conversão em 48hs aparece indicada na tabela 13. A eficiência de hidrólise foi calculada como porcentagem de glucose obtida com relação à glucose teórica presente na palha de trigo pré-tratada conforme mostrado na figura 1.

[0104] Tabela 8: Condição de tratamento preliminar, concentração de açúcares monoméricos e toxinas em hidrolisado ácido e composição química de palha de trigo pré-tratada (PTWS).

[0105] Exemplo 9. Tratamento preliminar com hidrato de hidrazina a 10% e sulfito de sódio a 0,25% [0106] 100g de biomassa despedaçada (palha de trigo) foram colocados em unidade de reator a elevada pressão (HPR). Solução aquosa de hidrato de hidrazina e sulfito de sódio a uma concentração final de 10% (p/p) e 0.25% (p/p) respectivamente foi colocada para perfazer um volume de até 1L.A reação foi deixada prosseguir por 30 minutos a 150 °C e 300 RPM, após o que iniciou o resfriamento. O conteúdo sólido total foi estimado e a pasta foi filtrada a fim de obter hidrolisado rico em xilose e resíduo rico em celulose.

[0107] O hidrolisado foi processado para análise de açúcar e inibidor com uso de HPLC conforme descrito no teste 1. A concentração de inibidores e açúcares monoméricos obtida está indicada na tabela 9.

[0108] Sacarificação enzimática do resíduo sólido foi feita conforme descrito no exemplo 1 e conversão em 48hs aparece indicada na tabela 13. A eficiência de hidrólise foi calculada como porcentagem de glucose obtida com relação à glucose teórica presente na palha de trigo pré-tratada conforme mostrado na figura 1.

[0109] Tabela 9: Condição de tratamento preliminar, concentração de açúcares monoméricos e toxinas em hidrolisado ácido e composição química de palha de trigo pré-tratada (PTWS).

[0110] Exemplo 10. Tratamento preliminar com hidrato de hidrazina a 10% e sulfito de sódio a 0,5% [0111] 100g de biomassa despedaçada (palha de trigo) foram colocados em unidade de reator a elevada pressão (HPR). Solução aquosa de hidrato de hidrazina e sulfito de sódio a uma concentração final de 5% (p/p) e 0.25% (p/p) respectivamente foi colocada para perfazer um volume de até 1L. A reação foi deixada prosseguir por 30 minutos a 150°C e 300 RPM, após o que iniciou o resfriamento. O conteúdo sólido total foi estimado e a pasta foi filtrada a fim de obter hidrolisado rico em xilose e resíduo rico em celulose.

[0112] O hidrolisado foi processado para análise de açúcar e inibidor com uso de HPLC conforme descrito no teste 1. A concentração de inibidores e açúcares monoméricos obtida está indicada na tabela 10.

[0113] Sacarificação enzimática do resíduo sólido foi feita conforme descrito no exemplo 1 e conversão em 48hs aparece indicada na tabela 13. A eficiência de hidrólise foi calculada como porcentagem de glucose obtida com relação à glucose teórica presente na palha de trigo pré-tratada conforme mostrado na figura 1.

[0114] Tabela 10: Condição de tratamento preliminar, concentração de açúcares monoméricos e toxinas em hidrolisado ácido e composição química de palha de trigo pré-tratada (PTWS).

[0115] Exemplo 11. Tratamento preliminar com sulfito de sódio a 0.25%.

[0116] 100g de biomassa despedaçada (palha de trigo) foram colocados em unidade de reator a elevada pressão (HPR). Solução aquosa de sulfito de sódio a 0,25% foi adicionada para perfazer um volume final de até 1L. A reação foi deixada prosseguir por 30 minutos a 150 °C e 300 RPM, após o que iniciou o resfriamento. O conteúdo sólido total foi estimado e a pasta foi filtrada a fim de obter hidrolisado rico em xilose e resíduo rico em celulose.

[0117] O hidrolisado foi processado para análise de açúcar e inibidor com uso de HPLC conforme descrito no teste 1. A concentração de inibidores e açúcares monoméricos obtida está indicada na tabela 11.

[0118] Sacarificação enzimática do resíduo sólido foi feita conforme descrito no exemplo 1 e conversão em 48hs aparece indicada na tabela 13. A eficiência de hidrólise foi calculada como porcentagem de glucose obtida com relação à glucose teórica presente na palha de trigo pré-tratada conforme mostrado na figura 1.

[0119] Tabela 11: Condição de tratamento preliminar, concentração de açúcares monoméricos e toxinas em hidrolisado ácido e composição química de palha de trigo pré-tratada (PTWS).

[0120] Exemplo 12. Tratamento preliminar com sulfito de sódio a 0.5%.

[0121] 100g de biomassa despedaçada (palha de trigo) foram colocados em unidade de reator a elevada pressão (HPR). Solução aquosa of 0.5% sulfito de sódio foi adicionada para perfazer um volume final de até 1L. A reação foi deixada prosseguir por 30 minutos a 150 °C e 300 RPM, após o que iniciou o resfriamento. O conteúdo sólido total foi estimado e a pasta foi filtrada a fim de obter hidrolisado rico em xilose e resíduo rico em celulose.

[0122] O hidrolisado foi processado para análise de açúcar e inibidor com uso de HPLC conforme descrito no teste 1. A concentração de inibidores e açúcares monoméricos obtida está indicada na tabela 12.

[0123] Sacarificação enzimática do resíduo sólido foi feita conforme descrito no exemplo 1 e conversão em 48hs aparece indicada na tabela 13. A eficiência de hidrólise foi calculada como porcentagem de glucose obtida com relação à glucose teórica presente na palha de trigo pré-tratada conforme mostrado na figura 1.

[0124] Tabela 12: Condição de tratamento preliminar, concentração de açúcares monoméricos e toxinas em hidrolisado ácido e composição química de palha de trigo pré-tratada (PTWS).

[0125] Tabela 13: Os resultados obtidos poe hidrólise enzimática após 48 horas conforme descrito nos exemplos 1-12.

REIVINDICAÇÕES

Claims (13)

1. Método de produção de biomassa enriquecida com polissacarídeos hidrolisável, caracterizada por compreender: (a) tratamento de biomassa com mistura aquosa de hidrato de diamina e composto de enxofre; e (b) remoção de hidrolisado de produto final conforme obtido na etapa (a) a fim de obter resíduos de biomassa enriquecida com polissacarídeos hidrolisável.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por também compreender tratamento de resíduos de biomassa enriquecida com polissacarídeos hidrolisável com água ou outro solvente orgânico para remover lignina.

3. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado por a biomassa ser suspensa na mistura aquosa de hidrato de diamina e composto de enxofre.

4. Método de acordo qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado por a biomassa ser tratada com mistura aquosa de hidrato de diamina e composto de enxofre sob elevada temperatura.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado por o tratamento de biomassa com mistura aquosa de hidrato de diamina e composto de enxofre ser feito sob temperatura que varia entre 80-20°C por aproximadamente 5 minutos a 4 horas.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado por na mistura aquosa de hidrato de diamina e composto de enxofre, o hidrato de diamina estar presente na faixa de 1- 99% (p/p) e ο composto de enxofre estar presente na faixa de 0.1-10% (P/P)·

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado por o hidrato de diamina ser selecionada de hidrato de hidrazina.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado por o composto de enxofre ser selecionada de dióxido de enxofre, bissulfato, sulfeto de sódio e sulfito de sódio.

9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por 0 composto de enxofre ser selecionada de sulfito de sódio.

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado por a biomassa ser biomassa lignocelulósica.

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 11, caracterizado por a biomassa ser despedaçada para reduzir o tamanho de partícula de 1 mm a 20 mm.

12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 10, caracterizado por a biomassa ser selecionada de pedúnculo de algodão, talo de mostarda, caule de trigo, palha de trigo e palha de arroz.

13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 12, caracterizado por também compreender sacarificação enzimática da biomassa enriquecida com polissacarídeos hidrolisável pela colocação em contato da mesma com consórcio de enzima de sacarificação para produzir açúcares fermentáveis.