BR102017002910A2 - ethanol production by zymomonas mobilis in solid supported submerged fermentations from lignocellulosic acid hydrolyzate waste - Google Patents
ethanol production by zymomonas mobilis in solid supported submerged fermentations from lignocellulosic acid hydrolyzate wasteInfo
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Abstract
a presente invenção refere-se a um processo de produção de etanol por zymomonas mobilis através de fermentações submersas utilizando suporte sólido (algodão ou subproduto agroindustrial sólido remanescente de processo de hidrólise parcial de material lignocelulósico). a presença do suporte sólido proporciona um estímulo ao microrganismo produtor ampliando as potencialidades deste, o que resulta em maior obtenção volumétrica de etanol. a invenção também provê a substituição parcial do meio de cultivo por hidrolisado ácido de material lignocelulósico, assim como a obtenção e caracterização parcial do hidrolisado. a maior obtenção volumétrica de etanol, a substituição parcial do meio de cultivo pelo hidrolisado e a utilização de rejeitos agroindustriais, como suportes sólidos, proporcionam uma diminuição dos custos operacionais do processo tornando ainda mais viável a obtenção biotecnológica de etanol.The present invention relates to a process of producing ethanol by zymomonas mobilis by submerged fermentations using solid support (cotton or solid agroindustrial by-product remaining from partial hydrolysis process of lignocellulosic material). The presence of the solid support provides a stimulus to the producer microorganism, increasing its potential, which results in a higher volume obtainment of ethanol. The invention also provides for the partial replacement of the culture medium with acid hydrolyzate of lignocellulosic material, as well as for obtaining and partially characterizing the hydrolyzate. The higher volumetric production of ethanol, the partial replacement of the culture medium by the hydrolyzate and the use of agroindustrial waste as solid supports, reduce the operational costs of the process making it even more feasible to obtain biotechnological ethanol.
Description
PRODUÇÃO DE ETANOL POR ZYMOMONAS MOBILIS EM FERMENTAÇÕES SUBMERSAS COM SUPORTE SÓLIDO A PARTIR DE HIDROLISADO ÁCIDO DE RESÍDUOS LIGNOCELULÓSICOSETHANOL PRODUCTION BY ZYMOMONAS MOBILIS IN SUBMERSED FERMENTATIONS WITH SOLID SUPPORT FROM ACID HYDROLYSIS OF LIGNOCELLULOSIC WASTE
Campo da Invenção [001] A presente invenção refere-se a um processo de produção de etanol por fermentação submersa com suporte sólido a partir de hidrolisado ácido de resíduos lignocelulósicos. A invenção também provê o processo de obtenção e caracterização parcial do hidrolisado ácido.Field of the Invention The present invention relates to a solid supported submerged fermentation ethanol production process from acid hydrolyzate of lignocellulosic residues. The invention also provides the process of obtaining and partially characterizing the acid hydrolyzate.
Antecedentes da Invenção [002] O uso de combustíveis fósseis como principal matriz energética mundial é um fator limitante do desenvolvimento sustentável da sociedade moderna. As mudanças climáticas globais, a poluição atmosférica, o acúmulo de gases estufa e a própria disponibilidade limitada dos combustíveis fósseis são fatores complicadores do atual cenário. Adicionalmente, a crescente demanda energética mundial e a dada dependência pelos combustíveis fósseis evidenciam a necessidade urgente de desenvolvimento de tecnologias alternativas para obtenção de energia sustentável. Neste contexto, a substituição parcial dos combustíveis fósseis por biocombustíveis de primeira geração também apresentam suas próprias limitações, principalmente as relacionadas à necessidade de ampliação de área plantada e a competição com a produção de alimentos. Desta forma, as tecnologias de obtenção de biocombustíveis de segunda geração, com destaque para o etanol proveniente de biomassa lignocelulósica, estão em ampla escala de estudo e em menor escala de desenvolvimento e implantação. Assim, o presente processo tem como objetivo a produção de etanol por Zymomonas mobilis, proveniente da substituição parcial dos meios de cultivo por hidrolisados de resíduos lignocelulósicos através de fermentação submersa com suporte sólido.Background of the Invention The use of fossil fuels as the world's main energy matrix is a limiting factor for the sustainable development of modern society. Global climate change, air pollution, greenhouse gas accumulation and the limited availability of fossil fuels are all complicating factors in the current scenario. In addition, the growing global energy demand and the reliance on fossil fuels underline the urgent need to develop alternative technologies to obtain sustainable energy. In this context, the partial replacement of fossil fuels by first generation biofuels also has its own limitations, especially those related to the need for expansion of planted area and competition with food production. Thus, technologies for obtaining second generation biofuels, especially ethanol from lignocellulosic biomass, are on a broad scale of study and on a smaller scale of development and implementation. Thus, the present process has as its objective the production of ethanol by Zymomonas mobilis, resulting from the partial replacement of culture media by hydrolysates of lignocellulosic residues through solid support submerged fermentation.
[003] Comercialmente, o processo de produção de etanol de segunda geração ainda não alcançou um grande reconhecimento, sendo a produção em escala industrial desse biocombustível ainda restrita. Os processos de obtenção de etanol de segunda geração apresentam um custo de produção ainda mais elevado em relação aos processos clássicos de primeira geração, devido à aplicação de processos de maior grau de dificuldade técnica, além de um maior número de etapas e aos relativos baixos rendimentos obtidos pelas fermentações.Commercially, the second generation ethanol production process has not yet achieved wide recognition, and the industrial scale production of this biofuel is still restricted. Second generation ethanol production processes have an even higher production cost compared to classic first generation processes, due to the application of processes of greater technical difficulty, a larger number of steps and the relative low yields. obtained by fermentations.
[004] A produção mundial de etanol no ano de 2015 excedeu 97 bilhões de litros basicamente obtidos por processos de primeira geração, dos quais 57 bilhões de litros foram produzidos pelos EUA (utilizando amido), o maior produtor mundial, seguido pelo Brasil com produção próxima a 27 bilhões de litros (utilizando sacarose) (RENEWABLE FUELS ASSOCIATION, 2016.-http://ethanolrfa.org). Amido e sacarose são hidrolisados a suas hexoses: i) hidrólise enzimática industrial do amido gerando glicose; e ii) hidrólise enzimática a partir da invertase de levedura gerando glicose e frutose. Glicose e frutose por sua vez são convertidas em etanol por leveduras fermentadoras comumente do gênero/espécie Saccharomyces cerevisiae. No entanto, as tecnologias de biocombustíveis de primeira geração também apresentam suas próprias limitações, principalmente as relacionadas à necessidade de ampliação de área plantada e a competição com a produção de alimentos.[004] World ethanol production in 2015 exceeded 97 billion liters primarily obtained by first generation processes, of which 57 billion liters were produced by the US (using starch), the world's largest producer, followed by Brazil with production near 27 billion liters (using sucrose) (RENEWABLE FUELS ASSOCIATION, 2016.-http: //ethanolrfa.org). Starch and sucrose are hydrolyzed to their hexoses: i) industrial enzymatic hydrolysis of starch generating glucose; and ii) enzymatic hydrolysis from yeast invertase generating glucose and fructose. Glucose and fructose in turn are converted to ethanol by fermenting yeasts commonly of the genus / species Saccharomyces cerevisiae. However, first-generation biofuel technologies also have their own limitations, especially those related to the need for planted area expansion and competition with food production.
[005] A patente PI 7908366 diz respeito a um processo de produção de etanol pela hidrólise ácida da madeira, baseada na digestão da madeira com ácido fosfórico. O processo também prevê a recuperação do ácido fosfórico e a transformação deste em fertilizante fosfatado de elevado teor de nutrientes. A invenção também evita a neutralização de ácido sulfúrico ou a recuperação de ácido clorídrico utilizados nos processos anteriores de hidrólise ácido da madeira.PI 7908366 relates to an ethanol production process by acid hydrolysis of wood based on digestion of wood with phosphoric acid. The process also provides for the recovery of phosphoric acid and its transformation into high nutrient phosphate fertilizer. The invention also avoids neutralization of sulfuric acid or recovery of hydrochloric acid used in prior acid wood hydrolysis processes.
[006] A invenção PI 8102802 refere-se a um processo de obtenção de etanol por hidrólise ácida contínua de materiais celulósicos. As etapas do processo preveem a obtenção de uma pasta aquosa homogeneizada de material celulósico contendo de 3 a 30% em peso de sólidos. Bombeamento da pasta para um reator tubular. Aquecimento pressurizado da pasta. Adição de ácido concentrado. Submissão do material lignocelulósico hidrolisado a uma brusca queda de pressão e resfriamento imediato. Neutralização e fermentação da solução resultante para a obtenção de etanol.The invention PI 8102802 relates to a process of obtaining ethanol by continuous acid hydrolysis of cellulosic materials. The process steps provide for obtaining a homogenized aqueous slurry of cellulosic material containing from 3 to 30 wt% solids. Pumping the paste into a tubular reactor. Pressurized heating of the paste. Addition of concentrated acid. Submission of hydrolyzed lignocellulosic material to a sudden pressure drop and immediate cooling. Neutralization and fermentation of the resulting solution to obtain ethanol.
[007] A patente PI 8606997 refere-se a um processo de fermentação de estágio único para produção de etanol a partir de sacarose refinada, açúcar grosso, caldo de cana-de-açúcar, xarope de cana-de-açúcar e hidrolisado de sacarose utilizando-se Zymomonas mobilis. O processo apresenta uma eficácia de hidrólise de 94-98%. Dentro de um período de 24-30 horas, são convertidos 200 g/L de sacarose para se obter 95,5 g/L de etanol. A re-inoculação é efetuada a partir do caldo fermentado, sem a necessidade de centrifugação ou de filtragem de membrana.Patent PI 8606997 relates to a single-stage fermentation process for the production of ethanol from refined sucrose, coarse sugar, sugarcane juice, sugarcane syrup and sucrose hydrolyzate. using Zymomonas mobilis. The process has a hydrolysis efficiency of 94-98%. Within 24-30 hours, 200 g / l sucrose is converted to obtain 95.5 g / l ethanol. Re-inoculation is performed from the fermented broth without the need for centrifugation or membrane filtration.
[008] A invenção PI 8707684 diz respeito a um processo de fermentação de amido pré-tratado e liquefeito a etanol, onde o material de amido é sacarificado a glucose pela enzima amiloglucosidase, e a glucose é fermentada a etanol por Zymomonas mobilis em um único vaso de fermentação.[008] The invention PI 8707684 relates to an ethanol-pretreated starch fermentation process, wherein the starch material is saccharified to glucose by the enzyme amyloglucosidase, and glucose is fermented to ethanol by Zymomonas mobilis in a single fermentation vessel.
[009] A patente CN 101134971 refere-se a um processo de produção de etanol de multiestágio por fermentação semissólida. Este processo envolve a injenção de matéria-prima triturada proveniente de cana-de-açúcar, milho, sorgo e beterraba de uma fermentação anterior em um novo processo também contendo material semissólido.CN 101134971 relates to a multi-stage ethanol production process by semi-solid fermentation. This process involves the injection of crushed raw material from sugarcane, corn, sorghum and beet from a previous fermentation into a new process also containing semi-solid material.
[010] Cada um dos processos citados acima apresenta suas vantagens e também limitações. Já o presente invento, trata do processo de hidrólise ácida de material lignocelulósico e utilização conjunta do hidrolisado (líquido contendo açúcares fermentescíveis) com o sólido remanescente da produção de etanol por Zymomonas mobilis. O processo de fermentação utilizado foi submerso com presença de um suporte sólido (hidrolisado remanescente de resíduos lignocelulósicos). Através deste processo pôde-se ampliar as potencialidades do microrganismo produtor (Zymomonas mobilis) proporcionando uma maior obtenção volumétrica do biocombustível.Each of the above processes has its advantages as well as limitations. The present invention deals with the process of acid hydrolysis of lignocellulosic material and the joint use of the hydrolyzate (liquid containing fermentable sugars) with the remaining solid of ethanol production by Zymomonas mobilis. The fermentation process used was submerged with the presence of a solid support (hydrolysed remnant of lignocellulosic residues). Through this process it was possible to expand the potential of the producing microorganism (Zymomonas mobilis) providing a greater volumetric obtaining of biofuel.
Sumário da Invenção [011] O objetivo do presente invento é produzir etanol por um processo de fermentação submersa com presença de um suporte sólido a partir de hidrolisado de resíduos lignocelulósicos. Através deste processo pode-se ampliar as potencialidades do microrganismo produtor proporcionando uma maior obtenção volumétrica do biocombustível. Outras vantagens são: (i) a substituição parcial do meio de cultivo pelo hidrolisado de resíduos lignocelulósicos e (ii) a possível utilização de rejeitos agroindustriais como suportes sólido, ambos proporcionando diminuição dos custos operacionais. Somadas as vantagens, o presente processo apresenta potencial para aumentar a viabilidade da obtenção biotecnológica de etanol.Summary of the Invention The object of the present invention is to produce ethanol by a submerged fermentation process with the presence of a solid support from lignocellulosic residue hydrolyzate. Through this process the potential of the producing microorganism can be enlarged providing a greater volumetric obtainment of the biofuel. Other advantages are: (i) the partial replacement of the culture medium by the hydrolyzate of lignocellulosic residues and (ii) the possible use of agroindustrial waste as solid supports, both providing reduced operating costs. Added to the advantages, the present process has the potential to increase the viability of obtaining biotechnological ethanol.
Descrição Detalhada da Invenção [012] A fermentação submersa utilizando um substrato sólido pode ser definida como uma técnica que envolve cultivos submersos contendo suporte sólido de alta capacidade de absorção de água e grande área de superfície para aderência do microrganismo.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Submerged fermentation using a solid substrate can be defined as a technique involving submerged crops containing solid support with high water absorption capacity and large surface area for adherence of the microorganism.
[013] Os microrganismos utilizados para este invento foram cepas de Zymomonas mobilis, originalmente isoladas da região nordeste do Brasil. A seguir passa-se a descrever um exemplo de processo de obtenção de hidrolisado ácido utilizando um dos subprodutos agroindustriais utilizados (casca de arroz) e a produção de etanol utilizando uma das cepas testadas. A casca de arroz foi triturada em moinho de facas com obtenção de partículas de dimensão igual ou inferior a 1,7 mm. A casca de arroz triturada foi submetida a hidrólise com ácido sulfúrico ou ácido clorídrico em concentrações de 1,0% a 10% (m/m) e relação sólido-líquido entre 1:2 a 1:8 (V/V); temperatura de 121°C, pressão de 1 ATM e tempo de exposição de 30 a 60 minutos. Em seguida, o pH foi neutralizado com solução de hidróxido de amônio. A fase aquosa foi filtrada em gaze e prensada para separar a fração sólida do hidrolisado. Após a hidrólise, o hidrolisado foi avaliado quanto ao teor de açúcares redutores e açúcares totais.The microorganisms used for this invention were strains of Zymomonas mobilis, originally isolated from northeastern Brazil. Following is an example of a process for obtaining acid hydrolysate using one of the agroindustrial by-products used (rice husk) and ethanol production using one of the strains tested. The rice husk was ground in a knife mill with a particle size of 1.7 mm or less. The ground rice husk was hydrolysed with sulfuric acid or hydrochloric acid at concentrations of 1.0% to 10% (w / w) and solid-liquid ratio between 1: 2 to 1: 8 (V / V); temperature of 121 ° C, 1 ATM pressure and exposure time of 30 to 60 minutes. Then the pH was neutralized with ammonium hydroxide solution. The aqueous phase was filtered through gauze and pressed to separate the solid fraction from the hydrolyzate. After hydrolysis, the hydrolyzate was evaluated for reducing sugars and total sugars.
[014] Os experimentos de produção de etanol por fermentação submersa utilizando substrato sólido foram realizados em francos Erlenmeyers de 125 mL contendo 30 mL de meio MPI-N- contendo por litro: KH2PO4, 0,5 g; MgSO4. 7H2O, 0,5; extrato de levedura, 2,5 g adicionados de glicose e hidrolisado de casca de arroz, a concentração final de glicose foi mantida em 100g/L. Algodão (0,75 g a 1,5 g) e o sólido remanescente da hidrólise ácida da casca de arroz (5,0 a 10,0 g) foram utilizados como suporte sólido. Os pré-inóculos foram realizados em frascos Erlenmeyers de 125 mL contendo 50 mL do meio de cultivo (MPI) contendo por litro: (NH4) SO4, 1,0 g; KH2PO4, 0,5 g; MgSO4. 7H20, 0,5 g; extrato de levedura, 2,5 g e glicose, 20 g. Os pré-inóculos foram inoculados a partir de 3-5 colônias de Z. mobilis proveniente de placas do meio MPI adicionados de 1.5 % (m/v) de Agar e incubados em agitador orbital a 30°C/20-100 rpm por 12h. Os inóculos foram realizados em frascos Erlenmeyers de 125 mL contendo 50 mL do meio MPI, inoculados com o pré-inóculo em uma proporção de 2% (v/v) e incubados em agitador orbital a 30° C/20-100 rpm por 6-8h. Os cultivos foram inoculados em uma proporção de 2-4 % (v/v) do inoculo e foram incubados em agitador orbital a 30°C/20-100 rpm por 24h.Submerged fermentation ethanol production experiments using solid substrate were performed on 125 mL Erlenmeyers francs containing 30 mL of MPI-N- medium containing per liter: KH2PO4, 0.5 g; MgSO4. 7H 2 O, 0.5; yeast extract, 2.5 g added glucose and rice husk hydrolyzate, the final glucose concentration was maintained at 100 g / L. Cotton (0.75 g to 1.5 g) and the remaining solid from rice husk acid hydrolysis (5.0 to 10.0 g) were used as solid support. Pre-inocula were performed in 125 mL Erlenmeyer flasks containing 50 mL of culture medium (MPI) containing per liter: (NH4) SO4, 1.0 g; KH 2 PO 4, 0.5 g; MgSO4. 7H 2 O, 0.5 g; yeast extract 2.5 g and glucose 20 g. Preinocula were inoculated from 3-5 colonies of Z. mobilis from MPI medium plates added with 1.5% (w / v) Agar and incubated on orbital shaker at 30 ° C / 20-100 rpm for 12h . Inocula were performed in 125 mL Erlenmeyer flasks containing 50 mL of MPI medium, inoculated with the pre-inoculum at a 2% (v / v) ratio and incubated on orbital shaker at 30 ° C / 20-100 rpm for 6 -8am. The cultures were inoculated at a proportion of 2-4% (v / v) of the inoculum and were incubated on an orbital shaker at 30 ° C / 20-100 rpm for 24h.
[015] Os cultivos interrompidos foram submetidos à separação das células por centrifugação e o sobrenadante resultante utilizado para quantificação do etanol. Amostras do sobrenadante foram filtradas em membranas de 0,22 μm (Millipore) e injetadas (20 μL) em cromatógrafo líquido de alta eficiência (CLAE), equipado com detector de índice de refração (Shimadzu RID - 10a) e coluna HPX - 87H, 300 x 7,8 mm, mantida a 60°C, utilizando como fase móvel uma solução de H2SO4 0,005 mol.L-1 a 0,7 mL.min-1. A quantificação foi realizada por padronização externa, com curva de calibração de padrão de etanol.Discontinued cultures were subjected to cell separation by centrifugation and the resulting supernatant used for ethanol quantification. Samples of the supernatant were filtered on 0.22 μm membranes (Millipore) and injected (20 μL) in a high performance liquid chromatograph (HPLC) equipped with refractive index detector (Shimadzu RID - 10a) and HPX - 87H column. 300 x 7.8 mm, maintained at 60 ° C, using as a mobile phase a solution of 0,005 mol.L-1 H 2 SO 4 to 0,7 mL.min-1. Quantification was performed by external standardization, with ethanol standard calibration curve.
[016] A determinação dos açúcares redutores totais (ART) foi realizada pelo método de fenol-sulfúrico (DUBOIS, M. et al. Colorimetric Method for Determination of Sugars and Related Substances Analytical Chemystri, v. 28, p. 350-356, 1956), utilizando-se uma curvapadrão de glucose. E a determinação dos sólidos solúveis em escala Brix (°Bx) foi feita em refratômetro de Brix utilizando uma solução de sacarose como padrão.[016] Determination of total reducing sugars (ART) was performed by the phenol sulfuric method (DUBOIS, M. et al., Colorimetric Method for Determination of Sugars and Related Substances Analytical Chemystri, v. 28, p. 350-356, 1956) using a standard glucose curve. And the determination of soluble solids in Brix scale (° Bx) was made in Brix refractometer using a sucrose solution as standard.
[017] O quadro abaixo traz resultados de hidrólise ácida de casca de arroz, avaliados através de grau Brix (°Bx), em diferentes concentrações de H2SO4 [em massa de ácido por massa de casca de arroz (%, m/m)]: 1%, 2%, 4%, 6%, 8% e 10%, além de um controle só com H2O, durante 30 e 60 minutos. O hidrolisado com 8% de H2SO4 por 30 minutos resultou em maior liberação de açúcares com a menor porcentagem de ácido utilizado.[017] The table below provides results of rice husk acid hydrolysis, evaluated by Brix grade (° Bx), at different H2SO4 concentrations [in acid mass per rice husk mass (%, m / m)] : 1%, 2%, 4%, 6%, 8% and 10%, plus a H2O-only control for 30 and 60 minutes. Hydrolysate with 8% H2SO4 for 30 minutes resulted in higher sugar release with the lowest percentage of acid used.
Quadro 1 - Hidrólise ácida de casca de arroz com diferentes concentrações de ácido sulfúrico [018] O próximo quadro mostra uma segunda etapa de hidrólise realizada com todos os sólidos pré-hidrolisados (remanescentes da primeira hidrólise -Quadro 1), utilizando-se 8% H2SO4 por 30 ou 60 minutos. A melhor combinação foi obtida com duas hidrólises sequenciais de 8% de H2SO4 por 30 minutos resultando em maior liberação de açúcares com menor concentração de ácido.Table 1 - Acid hydrolysis of rice husk with different sulfuric acid concentrations The following table shows a second hydrolysis step performed with all prehydrolysed solids (remnants of the first hydrolysis - Table 1) using 8%. H2SO4 for 30 or 60 minutes. The best combination was obtained with two sequential hydrolysis of 8% H2SO4 for 30 minutes resulting in greater release of sugars with lower acid concentration.
Quadro 2 - Segunda hidrólise ácida de casca de arroz - Concentração de ácido sulfúrico 8% [019] O quadro 4 traz a avaliação da biomassa de Zymomonas mobilis produzida por fermentação submersa na presença e na ausência do hidrolisado, além da avaliação de duas concentrações da fonte nitrogênio. Esta avaliação é importante para verificação de possíveis influências da presença do hidrolisado e de um excesso de fonte de nitrogênio no crescimento bacteriano no modelo de processo proposto. O excesso de fonte de nitrogênio é proveniente do passo de neutralização do hidrolisado ácido e apresenta-se na forma de sulfato de amônio [(NH4)2SO4]. Ambos os fatores avaliados (i.e., presença de hidrolisado e excesso de fonte de nitrogênio) não apresentaram diferença estatística significativa na produção de biomassa, mostrando que ambos não alteram o crescimento bacteriano.Table 2 - Second acid rice husk hydrolysis - Concentration of sulfuric acid 8% [019] Table 4 shows the evaluation of Zymomonas mobilis biomass produced by submerged fermentation in the presence and absence of hydrolyzate, and the evaluation of two concentrations of the hydrolyzate. nitrogen source. This evaluation is important to verify the possible influences of the presence of hydrolyzate and an excess of nitrogen source in the bacterial growth in the proposed process model. The excess nitrogen source comes from the acid hydrolyzate neutralization step and is in the form of ammonium sulfate [(NH4) 2SO4]. Both factors evaluated (i.e., presence of hydrolyzate and excess nitrogen source) showed no statistically significant difference in biomass production, showing that both do not alter bacterial growth.
Quadro 3 - Avaliação da biomassa de Zymomonas mobilis produzida por fermentação submersa: presença e ausência do hidrolisado e duas concentrações de nitrogênio [020] Na figura 1 as letras representam os produtos e os números representam os processos. O processo 1 caracteriza-se pela moagem da casca de arroz (produto A) levando ao produto casca de arroz triturada (produto B) é submetida a hidrólise com ácido sulfúrico ou ácido clorídrico (processo 2, repetido por mais uma vez) obtendo-se o hidrolisado e o sólido remanescente (produto C). O hidrolisado ácido é então submetido ao processo de neutralização do pH com solução de hidróxido de amônio (processo 3), obtendo-se o produto (E). Enquanto o sólido remanescente é submetido ao processo de lavagem com água (processo 4), este processo é repetido de duas a quatro vezes, levando a obtenção do produto (D). Na sequência, o produto (E) é utilizado para a substituição parcial do meio de cultivo (produto F) nos processos 5 e 9. O sólido remanescente (produto D) é utilizado como suporte para o processo de fermentação submersa com suporte sólido (processo 10 e 11). E os processos 6 e 7 caracterizam-se pela fermentação submersa com suporte sólido utilizando-se como suporte sólido o algodão. O produto G é inoculado e submetido ao processo (7) de fermentação submersa com suporte sólido (algodão). E o produto H é inoculado e submetido ao processo (11) de fermentação submersa com suporte sólido (sólido remanescente da hidrólise). Os processos 12 e 13 finalizam a sequência caracterizando a extração e quantificação do etanol, que é o produto final (I) do processo.Table 3 - Evaluation of Zymomonas mobilis biomass produced by submerged fermentation: presence and absence of hydrolyzate and two nitrogen concentrations [020] In Figure 1 the letters represent the products and the numbers represent the processes. Process 1 is characterized by the milling of the rice husk (product A) leading to the milled rice husk product (product B) is hydrolysed with sulfuric acid or hydrochloric acid (process 2, repeated once again) to obtain the hydrolyzate and the remaining solid (product C). The acid hydrolyzate is then subjected to the pH neutralization process with ammonium hydroxide solution (process 3) to give product (E). While the remaining solid is subjected to the water wash process (process 4), this process is repeated two to four times, leading to obtaining the product (D). Subsequently, the product (E) is used for partial replacement of the culture medium (product F) in processes 5 and 9. The remaining solid (product D) is used as a support for the solid supported submerged fermentation process (process 10 and 11). And processes 6 and 7 are characterized by solid support submerged fermentation using cotton as a solid support. Product G is inoculated and subjected to solid support (cotton) submerged fermentation process (7). And product H is inoculated and subjected to solid support submerged fermentation process (11) (solid remaining from hydrolysis). Processes 12 and 13 end the sequence characterizing the extraction and quantification of ethanol, which is the end product (I) of the process.
[021] A figura 2 traz a avaliação da produção de etanol por Zymomonas mobilis produzido por fermentação submersa na presença e na ausência do hidrolisado, além da avaliação de duas concentrações de nitrogênio. Esta avaliação teve como objetivo verificar uma possível influência da presença do hidrolisado na produção de etanol. Outro ponto também verificado, foi a influência do excesso de sulfato de amônio [(NH4)2SO4] formado no passo de neutralização do hidrolisado ácido. Assim como para biomassa, ambos os fatores avaliados (i.e., presença de hidrolisado e excesso de fonte de nitrogênio) não apresentaram diferença estatística significativa na produção de etanol por fermentação submersa. Indicando que ambos não alteram a produção de etanol.[021] Figure 2 shows the evaluation of ethanol production by Zymomonas mobilis produced by submerged fermentation in the presence and absence of hydrolyzate, as well as the evaluation of two nitrogen concentrations. This evaluation aimed to verify a possible influence of the presence of hydrolyzate on ethanol production. Another point also verified was the influence of excess ammonium sulfate [(NH4) 2SO4] formed in the acid hydrolyzate neutralization step. As for biomass, both factors evaluated (i.e., presence of hydrolyzate and excess nitrogen source) did not present statistically significant difference in ethanol production by submerged fermentation. Indicating that both do not alter ethanol production.
[022] A figura 3 mostra uma comparação de produção de etanol por Zymomonas mobilis obtida através de diferentes processos fermentativos, i.e., fermentação submersa (FSb), fermentação em estado sólido utilizando algodão como suporte (FES_Algodão) e fermentação submersa com presença de algodão como suporte sólido (FSbSS_Algodão) (Note que se utilizou uma substituição parcial do meio de cultivo por hidrolisado ácido de casca de arroz nos três processos fermentativos). A presença de um suporte sólido na fermentação submersa proporcionou um aumento significativo na produção de etanol quando comparado com ambos (p<0,05 quando comparado com a FES_Algodão e p<0,01 quando comparado com a FSb).[022] Figure 3 shows a comparison of ethanol production by Zymomonas mobilis obtained through different fermentative processes, ie, submerged fermentation (FSb), solid state fermentation using cotton as a support (FES_Catton) and submerged fermentation with the presence of cotton as solid support (FSbSS_Cotton) (Note that partial replacement of cultivation medium with rice husk acid hydrolyzate was used in the three fermentation processes). The presence of a solid support in submerged fermentation provided a significant increase in ethanol production when compared to both (p <0.05 when compared to FES_Cotton and p <0.01 when compared to FSb).
[023] Por fim, a figura 4 também traz uma comparação dos níveis de produção de etanol por Zymomonas mobilis obtida através dos três diferentes processos fermentativos. No entanto, adicionalmente avalia a substituição do algodão, utilizado como suporte sólido tanto para o processo de fermentação e em estado sólido (FES) como para o processo de fermentação submersa com presença de um substrato sólido (FSbSS), pelo sólido remanescente (resíduo) da hidrólise ácida. Não houve diferença significativa entre as comparações da fermentação submersa com as fermentações em estado sólido para ambos os suportes sólidos. No entanto, as fermentações submersas com presença de suporte sólido, algodão ou sólido remanescente, apresentaram um incremento estatisticamente significativo quando comparado com outros dois processos. A substituição do algodão (p<0,01). Confirmando que as fermentações submersas com presença de suporte sólido são uma alternativa de grande potencial para produção de etanol, principalmente quando estas utilizam os sólidos remanescentes de hidrólise de resíduos lignocelulósicos.Finally, Figure 4 also provides a comparison of ethanol production levels by Zymomonas mobilis obtained through the three different fermentation processes. However, it further assesses the replacement of cotton, used as a solid support for both the solid state fermentation process (FES) and the submerged fermentation process with the presence of a solid substrate (FSbSS), for the remaining solid (residue). of acid hydrolysis. There was no significant difference between comparisons of submerged fermentation with solid state fermentations for both solid supports. However, submerged fermentations with the presence of solid support, cotton or remaining solid showed a statistically significant increase when compared to two other processes. The replacement of cotton (p <0.01). Confirming that submerged fermentations with solid support are a potential alternative for ethanol production, especially when they use the remaining lignocellulosic residue hydrolysis solids.
Legenda das Figuras Figura 1: Processo de hidrólise ácida e processo fermentativo.Legend of the Figures Figure 1: Acid hydrolysis process and fermentation process.
Figura 2: Controle A, 25,5 mM de (NH4)2SO4; Controle B, 7,6 mM de (NH4)2SO4 Hidrolisado de Casca de Arroz, 25,5 mM de (NH4)2SO4.Figure 2: Control A, 25.5 mM (NH4) 2 SO4; Control B, 7.6 mM Hydrolyzed (NH 4) 2 SO 4 Rice Husk, 25.5 mM (NH 4) 2 SO 4.
Figura 3: Segunda etapa de hidrólise.Figure 3: Second hydrolysis step.
Figura 4: Avaliação da biomassa de Zymomonas mobilis produzida por fermentação submersa na presença e na ausência do hidrolisado, além da avaliação de duas concentrações da fonte de nitrogênio.Figure 4: Evaluation of Zymomonas mobilis biomass produced by submerged fermentation in the presence and absence of hydrolyzate, as well as the evaluation of two nitrogen source concentrations.
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| CN111100881A (en) * | 2020-02-10 | 2020-05-05 | 吉林中粮生化有限公司 | Method for producing ethanol by fermenting starch raw material |
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