BR102016029286A2 - process of obtaining ethanol from the hemicellulosic hydrolyzate of sugarcane bagasse - Google Patents
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Abstract
a presente invenção se refere a uma tecnologia verde e descreve um processo de obtenção de etanol a partir do hidrolisado hemicelulósico do bagaço de cana-de-açúcar. no processo proposto, o hidrolisado hemicelulósico é destoxificado biologicamente e fermentado simultaneamente, utilizando as leveduras i. occidentalis e s. stipitis, respectivamente, para produzir bioetanol em uma quantidade menor de etapas, de custos e de tempo de processo.The present invention relates to a green technology and describes a process for obtaining ethanol from the hemicellulosic hydrolyzate of sugarcane bagasse. In the proposed process, the hemicellulosic hydrolyzate is biologically detoxified and simultaneously fermented using the yeasts i. occidentalis and s. stipitis, respectively, to produce bioethanol in a smaller amount of steps, costs and process time.
Description
PROCESSO DE OBTENÇÃO DE ETANOL A PARTIR DO HIDROLISADO HEMICELULÓSICO DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCARPROCESS FOR OBTAINING ETHANOL FROM THE HEMICELLULOSTIC HYDROLISATE OF SUGAR CANE
Campo da invenção: [001] A presente invenção se refere a um processo de obtenção de etanol a partir do hidrolisado hemicelulósico do bagaço de cana-de-açúcar.Field of the invention: The present invention relates to a process for obtaining ethanol from the hemicellulosic hydrolyzate of sugarcane bagasse.
[002] Neste processo, o hidrolisado hemicelulósico é destoxifiçado biologicamente e fermentado simultaneamente, para produzir bioetanol em uma quantidade menor de etapas, de custos e de tempo de processo.In this process, the hemicellulosic hydrolyzate is biologically detoxified and fermented simultaneously to produce bioethanol in a smaller amount of steps, costs and process time.
[003] Assim, a presente invenção diz respeito a uma tecnologia verde, que se insere no campo do aproveitamento de resíduos agroindustriais e agroflorestais para a geração de uma nova fonte de energia.Thus, the present invention relates to a green technology, which is in the field of harnessing agro-industrial and agroforestry waste for the generation of a new energy source.
Fundamentos da invenção: [004] Em termos de composição química, o bagaço de cana é constituído por três frações principais que, juntas, perfazem mais de 90% da massa total: celulose, hemicelulose e lignina.Background of the invention: In terms of chemical composition, sugarcane bagasse is made up of three main fractions which together make up over 90% of the total mass: cellulose, hemicellulose and lignin.
[005] A associação entre as mesmas impõe dificuldades na recuperação dos açúcares contidos nas frações celulósica e hemicelulósica, sendo tais substratos úteis na produção de etanol.The association between them imposes difficulties in the recovery of sugars contained in the cellulosic and hemicellulosic fractions, being such substrates useful in ethanol production.
[006] Dentre os diferentes processos empregados para a recuperação dos açúcares presentes na fração hemicelulósica dos materiais lignocelulósicos, a hidrólise com ácidos diluídos tem se mostrado bastante eficiente: é um processo rápido e simples, além de apresentar baixa capacidade de corrosão do reator e menor tempo de reação devido às altas temperaturas empregadas.Among the different processes employed for the recovery of sugars present in the hemicellulosic fraction of lignocellulosic materials, hydrolysis with dilute acids has been shown to be very efficient: it is a fast and simple process, it has low reactor corrosion capacity and less reaction time due to the high temperatures employed.
[007] No entanto, durante a hidrólise ácida, também são produzidos compostos inibitórios ao metabolismo microbiano, prejudicando, assim, a conversão dos açúcares presentes no hidrolisado em produtos de interesse, tal como o etanol.However, during acid hydrolysis, compounds inhibiting microbial metabolism are also produced, thus impairing the conversion of sugars present in the hydrolyzate into products of interest, such as ethanol.
[008] Os compostos inibitórios podem ser divididos em quatro grandes grupos, de acordo com a sua origem: (i) derivados do furano (como furfural e hidroximetilfurfural - HMF, resultantes da degradação de pentoses e hexoses, respectivamente); (ii) compostos fenólicos e outros compostos aromáticos derivados da degradação parcial da lignina; (iii) ácidos fracos (acético, fórmico e levulinico); e (iv) metais (como cromo, cobre, níquel e ferro, oriundos da corrosão dos equipamentos de pré-tratamento).Inhibitory compounds can be divided into four broad groups according to their origin: (i) furan derivatives (such as furfural and hydroxymethylfurfural - HMF, resulting from the degradation of pentoses and hexoses, respectively); (ii) phenolic compounds and other aromatic compounds derived from partial lignin degradation; (iii) weak acids (acetic, formic and levulinic); and (iv) metals (such as chromium, copper, nickel and iron from corrosion of pretreatment equipment).
[009] A concentração máxima de cada inibidor encontrado nos hidrolisados e sua tolerância pelos micro-organismos fermentativos dependem da espécie utilizada e da adaptação desta espécie ao meio, do tipo de processo de fermentação empregado, do número de inibidores presentes no meio e do seu efeito combinado.The maximum concentration of each inhibitor found in hydrolysates and their tolerance for fermentative microorganisms depends on the species used and the adaptation of this species to the medium, the type of fermentation process employed, the number of inhibitors present in the medium and their combined effect.
[010] Assim, inúmeros processos de destoxificação vêm sendo estudados com o propósito de eliminar ou reduzir os compostos inibitórios antes que os açúcares contidos nas frações possam ser utilizados como meio de fermentação para a obtenção de etanol.Thus, numerous detoxification processes have been studied with the purpose of eliminating or reducing inhibitory compounds before sugars contained in the fractions can be used as a fermentation medium to obtain ethanol.
[011] Métodos de destoxificação podem ser classificados em função da forma (individual ou combinado) e da natureza dos agentes empregados (químico, físico, biológico).[011] Detoxification methods can be classified according to the form (individual or combined) and the nature of the agents employed (chemical, physical, biological).
[012] A alteração do pH (overliming) , combinada com a adsorção em carvão ativo, adsorção em resinas de troca iônica ou o uso de micro-organismos, são processos bastante utilizados.[012] Overliming, combined with active carbon adsorption, ion exchange resin adsorption or the use of microorganisms, are widely used processes.
[013] O tratamento químico por overliming é um dos processos mais usados na literatura e consiste na elevação do pH inicial do hidrolisado pela adição de um álcali e remoção do precipitado formado, seguida da redução do pH do hidrolisado pela adição de um ácido até um pH adequado para o processo de fermentação e remoção do precipitado formado.Overliming chemical treatment is one of the most widely used processes in the literature and consists of raising the initial pH of the hydrolyzate by adding an alkali and removing the precipitate formed, followed by reducing the pH of the hydrolyzate by adding an acid to pH suitable for the fermentation process and removal of the precipitate formed.
[014] 0 princípio deste processo é a precipitação dos componentes tóxicos, em vista da instabilidade de alguns inibidores em pHs altos. A alteração de pH é bastante utilizada por ser um método econômico e eficiente na remoção de vários compostos inibitórios, principalmente dos derivados do furano. Como desvantagem, este tratamento não remove os ácidos fracos, sendo necessária alta complexidade na etapa de filtração, e apresenta grandes perdas nos açúcares, provocando sua degradação parcial.[014] The principle of this process is the precipitation of toxic components, in view of the instability of some inhibitors at high pHs. PH change is widely used as it is an economical and efficient method to remove various inhibitory compounds, especially furan derivatives. As a disadvantage, this treatment does not remove weak acids, requiring high complexity in the filtration step, and has large losses in sugars, causing their partial degradation.
[015] A técnica de adsorção em carvão ativo baseia-se na capacidade deste material em adsorver diferentes tipos de moléculas, as quais são retidas por forças de Van der Waals. O carvão ativo se destaca pelo seu baixo custo, alta eficiência, poucas perdas nas concentrações dos açúcares e alta capacidade de remoção dos compostos inibitórios, removendo, principalmente, os fenólicos. Como desvantagem, apresenta alta complexidade na etapa de filtração.[015] The active carbon adsorption technique is based on the ability of this material to adsorb different types of molecules, which are retained by Van der Waals forces. Active charcoal stands out for its low cost, high efficiency, low sugar concentration losses and high removal capacity of inhibitory compounds, mainly removing phenolics. As a disadvantage, it presents high complexity in the filtration step.
[016] A adsorção em resinas de troca iônica remove eficientemente não apenas a cor, mas também os diversos subprodutos presentes nos hidrolisados sem acarretar em altas perdas de açúcares. A principal vantagem deste método é que as resinas podem ser regeneradas e reutilizadas sem afetar a eficiência do processo. Longo tempo de tratamento e alto custo são suas desvantagens.Adsorption in ion exchange resins efficiently removes not only color but also the various by-products present in hydrolysates without causing high sugar losses. The main advantage of this method is that resins can be regenerated and reused without affecting process efficiency. Long treatment time and high cost are its disadvantages.
[017] A destoxificação biológica, por sua vez, é um procedimento ecologicamente correto, que consiste no emprego de micro-organismos (leveduras, bactérias e fungos filamentosos) ou enzimas capazes de metabolizar alguns ou todos os compostos tóxicos presentes em efluentes industriais e hidrolisados hemicelulósicos. É um método economicamente viável, que não gera efluentes tóxicos e que conduz a pouca perda de açúcares. Como desvantagem, destaca-se o longo tempo deste processo.[017] Biological detoxification, in turn, is an ecologically correct procedure, which consists of the use of microorganisms (yeast, bacteria and filamentous fungi) or enzymes capable of metabolizing some or all toxic compounds present in industrial and hydrolysed effluents. hemicelluloses. It is an economically viable method that does not generate toxic effluents and leads to little sugar loss. As a disadvantage, the long time of this process stands out.
[018] Após a escolha do tratamento adequado para a remoção ou para a redução da concentração dos subprodutos indesejáveis, espera-se que o hidrolisado obtido possa ser eficientemente utilizado como meio de fermentação para a obtenção de etanol.Following the choice of the appropriate treatment for the removal or reduction of the concentration of undesirable by-products, it is expected that the obtained hydrolyzate can be efficiently used as a fermentation medium to obtain ethanol.
[019] A fração hemicelulósica pode ser hidrolisada em açúcares monoméricos, xilose e glicose, sob condições brandas de hidrólise ácida. Devido à larga proporção de xilose presente nos hidrolisados hemicelulósicos e à inabilidade da levedura Saccharomyces cerevisiae em fermentar a mesma, tem se buscado micro-organismos que possuem habilidade intrínseca de produzir etanol a partir de açúcares pentoses.[019] The hemicellulosic fraction may be hydrolyzed to monomeric sugars, xylose and glucose under mild conditions of acid hydrolysis. Due to the large proportion of xylose present in hemicellulosic hydrolysates and the inability of Saccharomyces cerevisiae yeast to ferment it, microorganisms that have intrinsic ability to produce ethanol from pentose sugars have been sought.
[020] Entre estes, a levedura Scheffersomyces stipitis se destaca por apresentar altos rendimentos em etanol, além de uma completa utilização dos açúcares presentes no hidrolisado e uma mínima formação de subprodutos formados. Esta levedura apresenta algumas limitações em relação ao oxigênio. Pouco oxigênio faz com que a levedura perca rapidamente a sua viabilidade, porém, oxigênio em excesso faz com que as células utilizem o substrato para formar apenas biomassa, parando a formação de etanol.Among these, Scheffersomyces stipitis yeast stands out for its high yields in ethanol, in addition to the complete utilization of sugars present in the hydrolyzate and the minimal formation of byproducts formed. This yeast has some limitations regarding oxygen. Too little oxygen causes the yeast to quickly lose its viability, but too much oxygen causes cells to use the substrate to form only biomass, stopping the formation of ethanol.
[021] Sendo assim, a presente invenção se refere a um processo de obtenção de etanol a partir do hidrolisado hemicelulósico do bagaço de cana-de-açúcar, em que este é destoxifiçado biologicamente e fermentado simultaneamente para produzir bioetanol em uma quantidade menor de etapas, de custos e de tempo de processo.Accordingly, the present invention relates to a process for obtaining ethanol from the hemicellulosic hydrolyzate of sugarcane bagasse, where it is biologically detoxified and simultaneously fermented to produce bioethanol in a smaller amount of steps. , cost and process time.
[022] Na literatura, diversos trabalhos utilizam a levedura S. stipitis para a produção de etanol a partir da xilose. No entanto, o processo ora proposto nesta invenção, no qual as etapas de destoxificação e fermentação da xilose ocorrem simultaneamente para a produção de etanol, é novo e inventivo.In the literature, several works use the yeast S. stipitis for the production of ethanol from xylose. However, the process now proposed in this invention, in which xylose detoxification and fermentation steps occur simultaneously for ethanol production, is novel and inventive.
[023] Mais especificamente, a tecnologia verde desta invenção propõe a destoxificação biológica do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana por Issatchenkia occidentalis e a fermentação da xilose por S. stipitis simultaneamente, podendo, assim, reduzir tanto o tempo, quanto as etapas e o custo da bioconversão de xilose em etanol.More specifically, the green technology of this invention proposes the biological detoxification of the hemicellulosic sugarcane bagasse hydrolyzate by Issatchenkia occidentalis and the fermentation of xylose by S. stipitis, thus reducing both the time, the steps and the time. cost of bioconversion of xylose in ethanol.
Estado da técnica: [024] Alguns documentos do estado da técnica descrevem diferentes processos de obtenção de etanol.State of the art: [024] Some prior art documents describe different processes for obtaining ethanol.
[025] Em CN 101805703 A, CN 101805702 A e CN 101735958 A, é descrita a sincronização das etapas de destoxificação de hidrolisados hemicelulósicos e fermentação dos seus açúcares, visando à produção de etanol e de xilitol. Assim como na presente invenção, a etapa de destoxificação também faz uso da levedura I. occidentalis. Diferentemente do processo ora proposto nesta invenção, no qual se utiliza a levedura Scheffersomyces stipitis na etapa de fermentação, os processos descritos nestes documentos fazem uso da Pachysolen tannophilus e apresentam duas etapas a mais: a filtração do hidrolisado e o ajuste do pH do hidrolisado.In CN 101805703 A, CN 101805702 A and CN 101735958 A, synchronization of the detoxification steps of hemicellulosic hydrolysates and fermentation of their sugars is described, aiming at the production of ethanol and xylitol. As in the present invention, the detoxification step also makes use of the yeast occidentalis. Unlike the process now proposed in this invention, in which the Scheffersomyces stipitis yeast is used in the fermentation step, the processes described in these documents make use of Pachysolen tannophilus and have two further steps: the hydrolysate filtration and the hydrolysate pH adjustment.
[026] Assim, vantajosamente, o processo da invenção é mais rápido (uma vez que o tempo de preparo do hidrolisado é menor).Thus, advantageously, the process of the invention is faster (since the preparation time of the hydrolyzate is shorter).
[027] No documento BR PI 0505299-8 A, apresenta-se um processo de hidrólise branda da fração hemicelulósica seguida da extração do hidrolisado, em reator tipo prensa, para posterior fermentação e produção de etanol. Diferentemente da invenção proposta, as etapas de destoxificação e fermentação são separadas. Ainda, a etapa de destoxificação do hidrolisado é química (neutralização com hidróxido de cálcio) , enquanto a da presente invenção é biológica (pela levedura I. occidentalis).[027] In BR PI 0505299-8 A, a gentle hydrolysis process of the hemicellulosic fraction is presented followed by hydrolyzate extraction in a press reactor for further fermentation and ethanol production. Unlike the proposed invention, the detoxification and fermentation steps are separated. Furthermore, the detoxification step of the hydrolyzate is chemical (calcium hydroxide neutralization), while that of the present invention is biological (by the yeast I. occidentalis).
[028] Em US 2013/0273555 Al, faz-se referência a um micro-organismo modificado, o qual reduz ou remove acetato das vias metabólicas envolvidas na produção de etanol, acetona, isopropanol ou acetato de etila. No documento, a levedura I. occidentalis é usada na engenharia da Saccharomyces cerevisiae recombinante. Na presente invenção, a etapa de fermentação é realizada pela S. stipitis, e não por um micro-organismo recombinado.[028] US 2013/0273555 Al refers to a modified microorganism which reduces or removes acetate from the metabolic pathways involved in the production of ethanol, acetone, isopropanol or ethyl acetate. In the document, I. occidentalis yeast is used in the engineering of recombinant Saccharomyces cerevisiae. In the present invention, the fermentation step is performed by S. stipitis, not by a recombined microorganism.
[029] Assim, o processo de obtenção de etanol descrito na presente invenção refere-se a uma tecnologia verde nova e inventiva.Thus, the process of obtaining ethanol described in the present invention relates to a new and inventive green technology.
Breve descrição da invenção: [030] A presente invenção se refere a um processo de obtenção de etanol a partir do hidrolisado hemicelulósico do bagaço de cana-de-açúcar.Brief Description of the Invention The present invention relates to a process for obtaining ethanol from the hemicellulosic hydrolyzate of sugarcane bagasse.
[031] Neste processo, o hidrolisado hemicelulósico é destoxifiçado biologicamente e fermentado simultaneamente, para produzir bioetanol em uma quantidade menor de etapas, de custos e de tempo de processo.[031] In this process, the hemicellulosic hydrolyzate is biologically detoxified and fermented simultaneously to produce bioethanol in a smaller amount of steps, costs and process time.
Breve descrição das figuras: [032] Para obter uma total e completa visualização do objeto desta invenção, são apresentadas as figuras as quais se faz referências, conforme se segue.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS: For a complete and complete view of the object of this invention, reference figures are given as follows.
[033] A Figura 1 representa o fluxograma das etapas envolvidas em três processos usuais (indicados em vermelho) e no processo descrito na presente invenção.Figure 1 represents the flowchart of the steps involved in three usual processes (indicated in red) and the process described in the present invention.
[034] As Figuras 2A, 2B e 2C representam graficamente os perfis da glicose (gli), xilose (xil), arabinose (ara), ácido acético (acet), produção de etanol (EtOH) e células (X) utilizando hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar destoxifiçado biologicamente, em que em (A) o hidrolisado é centrifugado e fermentado, em (B) o hidrolisado é destoxifiçado biologicamente e fermentado e, em (C) o hidrolisado é destoxifiçado biologicamente e fermentado simultaneamente, sendo (C) o processo descrito na presente invenção.Figures 2A, 2B and 2C graph the profiles of glucose (gly), xylose (xyl), arabinose (ara), acetic acid (acet), ethanol production (EtOH) and cells (X) using hemicellulosic hydrolyzate. of biologically detoxified sugarcane bagasse, in which (A) the hydrolyzate is centrifuged and fermented, in (B) the hydrolyzate is biologically detoxified and fermented and in (C) the hydrolyzate is biologically detoxified and fermented simultaneously, being (C) the process described in the present invention.
Descrição detalhada da invenção: [035] Esta invenção descreve um processo de obtenção de etanol a partir do hidrolisado hemicelulósico do bagaço de cana-de-açúcar, o qual compreende as etapas de: (A) Hidrólise da fração hemicelulósica do material lignocelulósico; (B) Concentração do hidrolisado hemicelulósico obtido na etapa a; (C) Destoxificação biológica e fermentação simultânea do hidrolisado hemicelulósico obtido na etapa b para obtenção de etanol.Detailed Description of the Invention: This invention describes a process for obtaining ethanol from the hemicellulosic hydrolyzate of sugarcane bagasse, which comprises the steps of: (A) Hydrolysis of the hemicellulosic fraction of the lignocellulosic material; (B) Concentration of hemicellulosic hydrolyzate obtained in step a; (C) Biological detoxification and simultaneous fermentation of hemicellulosic hydrolyzate obtained in step b to obtain ethanol.
[036] As etapas do processo da invenção serão mais bem definidas a seguir: (A) Hídrólise da fração hemicelulósica do material lignocelulósico: [037] Inicialmente, o material lignocelulósico a ser usado é selecionado dentre bagaço de cana, palha de trigo e palha de arroz. Em uma modalidade preferida, utiliza-se o bagaço de cana-de-açúcar.[036] The process steps of the invention will be further defined below: (A) Hydrolysis of the hemicellulosic fraction of the lignocellulosic material: [037] Initially, the lignocellulosic material to be used is selected from sugarcane bagasse, wheat straw and straw. of rice. In a preferred embodiment, sugarcane bagasse is used.
[038] Para a etapa de hidrólise ácida, utiliza-se ácido diluído (tal como ácido sulfúrico ou ácido fosfórico) em uma concentração que varia de 0,5 a 2% (p/v) , em uma proporção sólido:líquido de 1:8 a 1:10, em que o sólido se refere ao material lignocelulósico.[038] For the acid hydrolysis step, dilute acid (such as sulfuric acid or phosphoric acid) in a concentration ranging from 0.5 to 2% (w / v) in a solid: liquid ratio of 1% is used. : 8 to 1:10, wherein the solid refers to lignocellulosic material.
[039] A hidrólise ocorre em temperatura que varia de 110 a 130 °C, por um intervalo de tempo de 15 a 25 minutos. (B) Concentração do hidrolisado hemicelulósico: [040] O hidrolisado obtido foi, então, concentrado em evaporador a vácuo, em uma temperatura que varia de 65 a 75 °C e por um intervalo de tempo de 4 a 6h, a fim de aumentar o teor inicial de xilose. (C) Destoxificação biológica e fermentação simultânea do hidrolisado hemicelulósico para obtenção de etanol: [041] O processo descrito na presente invenção realiza simultaneamente a etapa de destoxificação biológica do hidrolisado hemicelulósico por I. occidentalis e a etapa de fermentação da xilose por S. stipitis.Hydrolysis occurs at temperatures ranging from 110 to 130 ° C for a time period of 15 to 25 minutes. (B) Concentration of hemicellulosic hydrolyzate: The hydrolyzate obtained was then concentrated in a vacuum evaporator at a temperature ranging from 65 to 75 ° C and for a time period of 4 to 6h in order to increase the initial xylose content. (C) Biological detoxification and simultaneous fermentation of hemicellulosic hydrolyzate to obtain ethanol: [041] The process described in the present invention simultaneously performs the biological detoxification step of hemicellulosic hydrolyzate by I. occidentalis and the fermentation step of xylose by S. stipitis. .
[042] As células de I. occidentalis e S. stipitis em concentrações que variam de 0,45 - 0,5 g/L e 2,5 - 3,0 g/L, respectivamente, são transferidas para um recipiente contendo meio composto pelo hidrolisado hemicelulósico, suplementado com nutrientes cujas concentrações variam de 12.5 a 13,5 g/L de extrato de levedura, de 2,5 a 3,5 g/L de extrato de malte, de 24,5 a 25,5 g/L de peptona e de 19,5 a 20.5 g/L de glicose.I. occidentalis and S. stipitis cells at concentrations ranging from 0.45 - 0.5 g / L and 2.5 - 3.0 g / L, respectively, are transferred to a container containing compound media. by hemicellulosic hydrolyzate, supplemented with nutrients whose concentrations range from 12.5 to 13.5 g / L yeast extract, 2.5 to 3.5 g / L malt extract, 24.5 to 25.5 g / L L peptone and 19.5 to 20.5 g / L glucose.
[043] O pH do hidrolisado é previamente ajustado para 4.5 e, em seguida, o hidrolisado é centrifugado de 1800 a 2200 x g por um intervalo de tempo que varia de 10 a 30 minutos, preferencialmente 20 minutos, e autoclavado a uma temperatura que varia de 105 a 110 °C por um intervalo de tempo que varia de 10 a 20 minutos, preferencialmente 15 minutos.The pH of the hydrolyzate is previously adjusted to 4.5 and then the hydrolyzate is centrifuged from 1800 to 2200 xg for a period of time ranging from 10 to 30 minutes, preferably 20 minutes, and autoclaved at a temperature ranging. 105 to 110 ° C for a period of time ranging from 10 to 20 minutes, preferably 15 minutes.
[044] A destoxificação e fermentação simultânea é realizada em incubadora com movimento circular de 190 a 210 rpm e temperatura de 25 a 30 °C até o consumo de aproximadamente 80% dos açúcares presentes(aproximadamente 144 h).Simultaneous detoxification and fermentation is performed in a circular motion incubator of 190 to 210 rpm and a temperature of 25 to 30 ° C until approximately 80% of the sugars present (approximately 144 h) are consumed.
[045] Durante a etapa de destoxificação e fermentação simultâneas, as amostras foram coletadas periodicamente para a determinação das concentrações de açúcares, ácido acético, xilitol, glicerol e etanol (cromatografia liquida de alta eficiência), do crescimento celular (turbidimetria em espectrofotômetro no comprimento de onda de 600 nm) e do pH.[045] During the simultaneous detoxification and fermentation step, samples were collected periodically to determine concentrations of sugars, acetic acid, xylitol, glycerol and ethanol (high performance liquid chromatography), cell growth (length spectrophotometer turbidimetry). 600 nm wavelength) and pH.
Testes realizados: [046] Para fins comparativos entre os processos descritos na literatura e o processo ora proposto, foram realizados testes com diferentes etapas de destoxificação, sendo elas: (i) Destoxificação físico-química: baseado na adsorção em resinas de troca iônica em uma proporção de 1:2 entre volume de resina e hidrolisado, em que a série de resinas compreende resina acrilica de troca aniônica fortemente básica, resina macroporosa de troca aniônica fortemente básica e resina macroporosa de troca catiônica fortemente ácida. (ii) Destoxificação química: baseado no aumento e na diminuição do pH, com posterior filtração para remoção do material insolúvel, com uso de carvão ativado. (iii) Destoxificação biológica (processo proposto): baseado no uso da levedura Issatchenkía occidentalis.Tests performed: [046] For comparative purposes between the processes described in the literature and the proposed process, tests were performed with different detoxification steps, as follows: (i) Physical-chemical detoxification: based on the adsorption on ion exchange resins in a ratio of 1: 2 resin volume to hydrolyzate, wherein the resin series comprises strongly basic anion exchange acrylic resin, strongly basic anion exchange macroporous resin and strongly acid cation exchange macroporous resin. (ii) Chemical detoxification: based on pH increase and decrease, with subsequent filtration to remove insoluble material, using activated charcoal. (iii) Biological detoxification (proposed process): based on the use of yeast Issatchenkía occidentalis.
[047] Em todos os casos o hidrolisado foi fermentado pela levedura Scheffersomyces stipitis.[047] In all cases the hydrolyzate was fermented by Scheffersomyces stipitis yeast.
Resultados obtidos: Composição química dos hidrolisados hemicelulósicos de bagaço de cana destoxifiçados: [048] Verificou-se que, quanto à composição química, o hidrolisado tratado pela alteração de pH combinada com a adsorção em carvão ativo ou tratado biologicamente foram os que apresentaram melhores resultados quanto às menores perdas das concentrações de açúcares presentes e maiores remoções de inibidores ao metabolismo microbiano.Results obtained: Chemical composition of detoxified sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolysates: [048] It was found that, as to chemical composition, the hydrolysate treated by pH change combined with adsorption on active or biologically treated charcoal showed the best results. regarding the lower losses of the present sugar concentrations and higher inhibitor removals to the microbial metabolism.
[049] Sendo assim, testes foram realizados envolvendo a destoxificação biológica pela levedura I. occidentalis e a fermentação do hidrolisado, sendo eles: A) destoxificação em 72 h, centrifugação das células de destoxificação e depois fermentação em 96 h; B) destoxificação em 72 h e depois fermentação em 96 h, sem etapa de centrifugação; e C) destoxificação e fermentação simultâneas em 144 h, tal como descrito na presente invenção.Thus, tests were performed involving biological detoxification by the yeast I. occidentalis and the hydrolysate fermentation, which were: A) detoxification in 72 h, centrifugation of detoxification cells and then fermentation in 96 h; B) detoxification at 72 h and then fermentation at 96 h without centrifugation step; and C) simultaneous detoxification and fermentation at 144 h as described in the present invention.
[050] A Figura 2 representa graficamente os perfis da glicose, xilose, arabinose e do ácido acético, bem como a produção de etanol e de células nos três processos (A, B e C) .[050] Figure 2 graphs the glucose, xylose, arabinose and acetic acid profiles, as well as the production of ethanol and cells in the three processes (A, B and C).
[051] Observa-se que tanto o consumo dos açúcares quanto do ácido acético foram muito semelhantes nos três processos estudados, evidenciando a versatilidade desta levedura na utilização de todas as principais fontes de carbono presentes em hidrolisados hemicelulósicos destoxifiçados ao produzir etanol e células.[051] It is observed that both the consumption of sugars and acetic acid were very similar in the three studied processes, evidencing the versatility of this yeast in the use of all the main carbon sources present in detoxified hemicellulosic hydrolysates when producing ethanol and cells.
[052] A glicose foi completamente assimilada pela S. stipitis nas primeiras 24 horas de fermentação no processo A e em 48 horas nos processos B e C.Glucose was completely assimilated by S. stipitis in the first 24 hours of fermentation in process A and in 48 hours in processes B and C.
[053] Em relação à xilose, esta foi continuamente consumida pela levedura sem se esgotar ao final de 144 horas de fermentação nos três processos. A arabinose foi pouco consumida nos três processos. Já o ácido acético foi bastante assimilado pela levedura nos processos A e C.[053] Regarding xylose, it was continuously consumed by yeast without running out after 144 hours of fermentation in all three processes. Arabinose was little consumed in all three processes. Already acetic acid was quite assimilated by yeast in processes A and C.
[054] As maiores concentrações de etanol foram obtidas em 120 horas de fermentação no processo A, e, em 48 horas nos processos B e C. Após 48 horas, a concentração de etanol cai nos processos B e C, porém continua havendo crescimento celular e formação do subproduto xilitol, indicando, assim, um possível consumo do etanol produzido pelas leveduras de destoxificação, uma vez que, estas permanecem no meio nestes dois processos (B e C) enquanto que elas haviam sido removidas no processo A.The highest ethanol concentrations were obtained at 120 hours of fermentation in process A, and at 48 hours in processes B and C. After 48 hours, the ethanol concentration drops in processes B and C, but cell growth continues. and formation of the xylitol byproduct, thus indicating a possible consumption of the ethanol produced by the detoxification yeasts, since they remain in the middle in these two processes (B and C) while they had been removed in process A.
[055] A Tabela 1 apresenta os parâmetros fermentativos obtidos nos três processos (A, B e C) , utilizando, como meio de fermentação, o hidrolisado biologicamente destoxifiçado na produção de etanol.[055] Table 1 shows the fermentative parameters obtained in the three processes (A, B and C), using, as fermentation medium, the biologically detoxified hydrolyzate in ethanol production.
[056] Observa-se que, somente de 29 a 33% dos açúcares totais foram consumidos pela levedura S. stipitis após 48 horas de fermentação. Este baixo consumo pode estar relacionado à presença de compostos inibitórios que ainda possam estar presente no hidrolisado destoxifiçado ou à presença de subprodutos formados durante a etapa de destoxificação.[056] It is observed that only 29 to 33% of total sugars were consumed by S. stipitis yeast after 48 hours of fermentation. This low consumption may be related to the presence of inhibitory compounds that may still be present in the detoxified hydrolyzate or the presence of by-products formed during the detoxification step.
Tabela 1 - Parâmetros fermentativos obtidos nas fermentações em frascos agitados utilizando os hidrolisados não destoxifiçado (controle) e destoxifiçado biologicamente em três diferentes processos (A, B e C) % S consumido - % de açúcares consumidos; X - concentração celular * - I. occidentalis + P. stipitis;Table 1 - Fermentative parameters obtained from fermentation in shake flasks using the non-detoxified (control) and biologically detoxified hydrolysates in three different processes (A, B and C)% S consumed -% sugars consumed; X - cell concentration * - I. occidentalis + P. stipitis;
Yp/s - bioconversão de açúcares em etanol;Yp / s - bioconversion of sugars in ethanol;
Yp/xiwsE - bioconversão de xilose em etanol;Yp / xiwsE - bioconversion of xylose in ethanol;
Qp - produtividade volumétrica em etanol;Qp - volumetric productivity in ethanol;
Yx/s - bioconversão de açúcares em células.Yx / s - bioconversion of sugars in cells.
[057] Ainda na Tabela 1, observa-se que os valores dos parâmetros fermentativos foram semelhantes ao se utilizar destoxificação e fermentação separadamente, independente se existe ou não uma etapa de centrifugação das células de destoxificação antes da fermentação (processos A e B, respectivamente).Still in Table 1, it is observed that the values of the fermentative parameters were similar when using detoxification and fermentation separately, regardless of whether or not there is a detoxification cell centrifugation step before fermentation (processes A and B, respectively). ).
[058] Por outro lado, uma melhora nos valores dos parâmetros fermentativos foi observada ao fermentar e destoxificar simultaneamente (processo C) . As maiores concentrações de etanol (10,60 g/L), células (6,81 g/L) , Yp/s (0,48 g/g) , Yp/xilose (0,68 g/g) e QP (0,22 g/Lh) foram obtidas em 48 horas de fermentação ao se utilizar o processo C, divulgado na presente invenção.On the other hand, an improvement in the values of the fermentative parameters was observed when simultaneously fermenting and detoxifying (process C). The highest concentrations of ethanol (10.60 g / L), cells (6.81 g / L), Yp / s (0.48 g / g), Yp / xylose (0.68 g / g) and QP ( 0.22 g / Lh) were obtained within 48 hours of fermentation using process C disclosed in the present invention.
[059] O processo proposto nesta invenção apresentou uma boa destoxificação do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana e melhoras nos parâmetros fermentativos avaliados, ao se comparar com os outros tipos de destoxificações(fisico-quimica e química) e sistemas estudados (processos A e B).[059] The process proposed in this invention showed a good detoxification of the sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolyzate and improvements in the evaluated fermentative parameters when compared to the other types of detoxification (physicochemical and chemical) and studied systems (processes A and B ).
[060] Os avanços resultantes desta nova tecnologia se referem principalmente à realização em uma só etapa do processo de destoxificação e fermentação, que ocorrem simultaneamente utilizando-se duas diferentes leveduras as quais possuem atividades metabólicas específicas para cada etapa do processo.[060] The advancements resulting from this new technology refer mainly to the one-step realization of the detoxification and fermentation process, which occur simultaneously using two different yeasts which have specific metabolic activities for each process step.
[061] Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes, abrangidas no escopo das reivindicações anexas.Those skilled in the art will enhance the knowledge presented herein and may reproduce the invention in the embodiments presented and in other embodiments, within the scope of the appended claims.
REIVINDICAÇÕES
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