BR102020023617A2 - Processo de obtenção de etanol de segunda geração pela utilização da 2-hidróxi-1,4-naftoquinona e uso - Google Patents

Abstract

A presente invenção descreve um processo de obtenção de etanol de segunda geração pela utilização da 2-hidróxi-1,4-naftoquinona (HNQ) na etapa de pré-tratamento do bagaço de cana e uso. A molécula HNQ mostrou um efeito surpreendente ao ser utilizada como agente redox quando comparada a outros agentes redutores, normalmente empregados no processo de pré-tratamento. Ao passo que na literatura outros agentes de redução já são descritos, a HNQ se mostrou superior por apresentar um potencial redox comparável ao da antraquinona, porém com muito maior solubilidade. Além disso, a HNQ não inibe o processo de hidrólise enzimática como o faz alguns outros mediadores redox. Com isso o processo de obtenção de etanol de segunda geração, utilizando a HNQ em uma de suas etapas, apresenta um passo inventivo com características tecnicamente não previstas de maneira óbvia por um técnico no assunto.

Description

PROCESSO DE OBTENÇÃO DE ETANOL DE SEGUNDA GERAÇÃO PELA UTILIZAÇÃO DA 2-HIDRÓXI-1,4-NAFTOQUINONA E USO Campo da Invenção

[001] A presente invenção descreve um processo de obtenção de etanol de segunda geração pela utilização da 2-hidróxi-1,4-naftoquinona (HNQ) na etapa de pré-tratamento do bagaço de cana e ao uso. A molécula HNQ mostrou um efeito surpreendente ao ser utilizada como agente redox quando comparada a outros agentes redutores, normalmente empregados no processo de pré-tratamento. Ao passo que na literatura outros agentes de redução já são descritos, a HNQ se mostrou superior por apresentar um potencial redox comparável ao da antraquinona, porém com muito maior solubilidade. Além disso, a HNQ não inibe o processo de hidrólise enzimática como o faz alguns outros mediadores redox. Com isso o processo de obtenção de etanol de segunda geração, utilizando a HNQ em uma de suas etapas, apresenta um passo inventivo com características tecnicamente não previstas de maneira óbvia por um técnico no assunto.

Estado da Técnica

[002] O etanol de segunda geração, doravante denominado simplesmente E2G, também chamado de etanol celulósico, é produzido a partir de biomassas lignocelulósicas. No Brasil, esta tecnologia poderá permitir a utilização de parte ou de todo o excedente de bagaço e palha de cana-de-açúcar, acumulados pelas usinas sucroalcooleiras durante a safra. Esta tecnologia de produção permite também a utilização de vários materiais lignocelulósicos, como resíduos agrícolas, a saber: palha de trigo, feno de milho, resíduos florestais e culturas dedicadas (salgueiro, sorgo doce, dentre outras) (GALBE & ZACCHI, 2007).

[003] A biomassa lignocelulósica é composta, principalmente, de celulose (40-50%), hemiceluloses (25-35%) e lignina (10-25%) (KUMAR etal., 2016). Para produção de E2G, o material precisa ser submetido às etapas de pré-tratamento, hidrólise enzimática e fermentação. O pré-tratamento visa a desestruturação da parede celular vegetal, devido a sua elevada resistência química à degradação, facilitando o acesso das enzimas, na etapa seguinte. Na etapa de hidrólise enzimática ou sacarificação, os polissacarídeos são hidrolisados, liberando açúcares fermentescíveis (hexoses a partir de celulose e pentoses a partir de hemiceluloses, respectivamente). Uma vez gerados, os açúcares podem ser fermentados a etanol, de forma semelhante ao que é feito no processo de produção de etanol de primeira geração (E1G).

[004] A polpação tradicional alcalina possui alguns aspectos negativos, já bem conhecidos no estado da técnica e, por isso, a utilização da antraquinona (AQ) é motivada.

[005] A antraquinona será doravante denominada de AQ. A antraquinona é um aditivo químico capaz de promover o aumento na seletividade da deslignificação, promovendo a remoção da lignina e a diminuição na perda dos carboidratos, durante o processo de pré-tratamento (soda-AQ). Isso pode ser atribuído principalmente ao mecanismo do ciclo redox entre antraquinona oxidada (AQ) e reduzida (antra-hidroquinona). O primeiro trabalho, patenteado na década de 70, U.S Pat. No. 4,012,280 mostrou que a suplementação com antraquinona, ao processo soda, possibilitou superar o rendimento de celulose do processo kraft em madeira mole. Posteriormente, também foi observado que apenas 0,25% m/m de antraquinona foi capaz de igualar as taxas de deslignificação entre os processos kraft e soda-AQ (KUBES et al., 1980). Atualmente, o processo soda-AQ também tem sido estudado nos processos de deslignificação de outras biomassas lignocelulósicas além de madeira mole (KHRISTOVA et al., 1998; SARWAR JAHAN et al., 2012), e por isso pode ser utilizado em um contexto de biorrefinaria.

[006] A antraquinona forma um sistema redox que, acelera a clivagem das ligações β-Ο-4 na lignina e oxida as extremidades das cadeias de carboidratos (DE MENEZES et al., 2017). Durante o ciclo redox, a antraquinona promove a oxidação dos grupos aldeídos a ácidos aldônicos, na extremidade redutora das cadeias de carboidratos, estabilizando-os e evitando posterior degradação. Ao mesmo tempo, a antra-hidroquinona (AHQ) (antraquinona reduzida) reduz a lignina, acelerando a deslignificação. Como a AQ é pouco solúvel em meio alcalino, sua eficácia durante a polpação pode ser limitada por muitos fatores, principalmente pela transferência de massa. Por isso, a taxa de formação da AHQ é de extrema importância, uma vez que torna a molécula mais solúvel no meio reacional, acelerando a deslignificação (CHAI et al., 2007).

[007] O processo de produção de E2G, em uma biorrefinaria de lignocelulose, compreende uma etapa inicial do pré-tratamento da lignocelulose de biomassa, doravante denominada de LB, seguida pelas etapas de sacarificação e fermentação.

[008] O pré-tratamento é necessário devido à recalcitrância do bagaço de cana-de-açúcar, doravante denominado de SB. A etapa de pré-tratamento consiste em desconstruir o complexo de lignocelulose, separar e extrair os principais constituintes da LB, isto é, polissacarídeos (celulose e hemiceluloses) e lignina. Em seguida, a fração de polissacarídeos pode ser eficientemente convertida por enzimas hidrolíticas em pentoses (C5) e hexoses (C6) (Robak & Balcerek, 2018).

[009] Os açúcares C5 e C6 podem ser co-fermentados em etanol por microorganismos apropriados, como Kluyveromyces marxianus (Mohd Azhar et al., 2017), em monocultura (Liu et al., 2019) ou podem ser fermentados simultaneamente em etanol em co-cultura (Nosrati-Ghods et al., 2018).

[010] A eficácia de uma etapa de pré-tratamento é baseada na redução do grau de cristalinidade (Xc) e polimerização (DP) de polissacarídeos, permitindo aumentar a acessibilidade das enzimas à celulose (Kumari & Singh, 2018) sem produzir compostos que possam inibir a hidrólise enzimática e etapas de fermentação (dos Santos et al., 2019; Hallac & Ragauskas, 2011).

[011] Os principais compostos inibidores são: (i) ácidos orgânicos e furanos produzidos a partir da hidrólise e degradação de polissacarídeos que interferem no metabolismo da levedura de fermentação e (ii) fragmentos de lignina e fragmentos de lignina condensados com furanos, que podem bloquear o acesso de enzimas hidrolíticas à celulose e também promover a adsorção improdutiva de enzimas (Bittencourt et al., 2019; Min et al., 2014).

[012] Para esse fim, o pré-tratamento da biomassa alcalina provou ser uma deslignificação eficiente de LB. Os pré-tratamentos usando Ca(OH)2, KOH, NH3, NaOH foram estudados e o NaOH foi indicado como um dos compostos mais eficientes para o pré-tratamento com LB (Agbor et al., 2011). Neste pré-tratamento, os ânions hidroxilas promovem a clivagem das ligações éster dos grupos acetilas das hemiceluloses e das ligações α e β-aril-alquil-éter da lignina. Isso leva à degradação dos complexos de carboidratos e lignina (LCCs) e, consequentemente, à dissolução da lignina, o que aumenta a acessibilidade das enzimas à celulose (Agbor et al., 2011). No entanto, os ânions hidroxila também podem promover o efeito de peeling (descamação) nas cadeias de polissacarídeos, levando à dissolução de hemiceluloses e celulose (Nascimento et al., 2016b).

[013] Para superar o efeito de descamação, as soluções tecnológicas adotadas pela indústria de papel e celulose foram o uso de um catalisador redox. Para esse fim, a antraquinona (0,1-0,5%, m/m) é usada como catalisador redox para promover ciclos de oxidação e redução durante a deslignificação alcalina de LB (Kubes et al., 1980; Nascimento et al., 2016b; Saad et al. al., 1988).

[014] O catalisador redox promove a oxidação dos grupos terminais aldeídicos das cadeias polissacarídicas em ácido aldônico e a subsequente redução da lignina. Isso leva à preservação de polissacarídeos e também à degradação da lignina com um número reduzido de reações de condensação.

[015] Alguns estudos demonstraram que a oxidação do aldeído em ácido aldônico pelo catalisador redox torna as cadeias de carboidratos mais estáveis, impedindo a despolimerização alcalina terminal (efeito peeling). Além disso, a subsequente redução da lignina pelo catalisador redox acelera e aumenta a seletividade do processo de deslignificação (Chai et al., 2007; Lisboa et al., 2005; Nascimento et al., 2016b; Saad et al., 1988; Sjӧstrӧm, 1977)

[016] A presente patente descreve o uso de um novo catalisador redox 2-hidróxi-1,4-naftoquinona (HNQ), também conhecido como lawsone (lausona), que possui um potencial de oxidação / redução comparável ao da antraquinona AQ. O HNQ pertence ao grupo das quinonas, como a antraquinona; no entanto, o uso de HNQ pode ser mais vantajoso, pois apresenta maior solubilidade em água que a antraquinona, devido ao grupo hidroxila fenólico no carbono 2 (C-2) do anel da benzoquinona. Além disso, não foram encontrados no estado da arte e da técnica nenhuma descrição explícita do potencial do HNQ como catalisador redox no pré-tratamento alcalino do SB. No presente relatório são descritos o processo de obtenção do etanol de segunda geração com uso de soda-HNQ para pré-tratamento de SB utilizando dois delineamentos experimentais, a fim de maximizar a deslignificação e preservar a fração polissacarídica do SB. Além disso, os efeitos da HNQ foram avaliados durante a sacarificação do SB, com o objetivo de obter a máxima conversão enzimática de hemiceluloses e celulose em açúcares C5 e C6.

[017] A 2-hidróxi-1,4-naftoquinona (HNQ) possui a estrutura (I)

[018] Atualmente, o potencial redox da Lausona tem sido empregado na redução de corantes azo presentes nos efluentes da indústria têxtil, o que resulta em uma descoloração significativa, sem adicionar quaisquer substâncias ambientalmente problemáticas às águas residuais (ENCINAS-YOCUPICIO et al., 2006). Até o presente momento, nenhum processo de produção de E2G explorou o potencial redox dessa molécula no pré-tratamento da biomassa lignocelulósica.

[019] Embora as invenções e trabalhos científicos acima descritos apresentem moléculas redox que reduzem o efeito peeling na etapa de sacarificação do processo de obtenção de etanol de segunda geração, nenhum conhecimento descrito no estado da técnica e da arte tira a novidade e a atividade inventiva do presente pedido. O passo inventivo da presente tecnologia está justamente relacionado ao uso da HNQ, que protege as pontas das cadeias dos polissacarídeos (hemiceluloses e celulose) contra a despolimerização alcalina terminal. Uma vez que não há essa despolimerização alcalina terminal, as cadeias se mantêm longas e insolúveis em meio alcalino e, portanto, a perda da fração de polissacarídeos é menor durante o processo de polpação, promovendo um rendimento maior do que os encontrados nos trabalhos do estado da técnica. O uso da HNQ durante o processo de pré-tratamento do bagaço de cana na presente invenção torna o passo inventivo evidente ao se comparar o efeito superior da utilização da HNQ, como mediador redox, com outros mediadores encontrados na literatura, principalmente os descritos na patente: US4561936 depositada em 24/08/1981 pelo depositante Mo och Domsjo Aktiebolag.
Referências citadas
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Descrição detalhada da invenção

[020] O processo de obtenção de etanol de segunda geração, utilizando a 2-hidróxi-1,4-naftoquinona como catalisador compreende as seguintes etapas:

• i) Pré-tratamento do bagaço de cana;
• ii) hidrólise enzimática;
• iii) fermentação.

Abaixo serão detalhadas essas etapas de forma completa i) Pré-tratamento do bagaço de cana:

[021] O pré-tratamento do SB pode ser realizado em um recipiente de reator tubular, de aço inoxidável com um anel de vedação de PTFE (politetrafluoroetileno) ou qualquer outro tipo de reator, não sendo esse um fator limitante à execução da invenção. O vaso do reator deve ser carregado com SB e água mantendo uma razão líquido/sólido entre 3 - 15 mL/g e concentrações de NaOH variando de 5 - 25% m/m e HNQ entre 0,1 - 0,7% m/m. O vaso do reator deve ser aquecido a temperaturas entre 100 - 180 °C por um período compreendido entre 30 - 90 minutos. No final do pré-tratamento, a reação precisa ser parada por abaixamento da temperatura. A mistura deve ser desfibrada em um misturador de lâmina cega a no mínimo 2.800 rpm por, no mínimo, 1 min, filtrada (malha mínima de 200, tela de 0,074 mm) e lavada com um excesso de água até que o pH neutro seja atingido. A polpa celulósica pode então ser armazenada a -20 °C em um freezer para etapa posterior de processamento.

ii) Hidrólise enzimática:

[022] Amostras das frações sólidas (SB pré-tratado) são adicionadas a frascos de teste com 10 mL de uma solução contendo tampão citrato 0,05 mol L-1 (pH 4,8), 0,01 - 0,2% (m/v), azida de sódio e uma mistura de coquetéis enzimáticos Cellic CTec® 2: Cellic HTec® 2 (0 - 85: 15 - 100, v/v; 3 - 12 FPU/g SB pré-tratado). Um experimento de controle é realizado com enzimas previamente desnaturadas em banho maria a 100 °C durante 5 minutos. Os frascos são agitados a 150 rpm e 50 °C em uma incubadora shaker por 9 - 90 h. No final da hidrólise, a reação é interrompida pelo aquecimento dos frascos em banho-maria a 95 °C por 5 min e a fase líquida é separada da fase sólida por centrifugação a 3.000 χ g por 10 min (Bittencourt et al., 2019).

iii) Fermentação do hidrolisado enzimático por diferentes espécies de leveduras:

[023] A hidrólise enzimática realizada em maior escala (volume final de 550 mL), com 3 FPU/g durante 72 h, origina o hidrolisado para a fermentação. Este hidrolisado é utilizado para fermentação e produção de etanol, utilizando diferentes espécies de leveduras isoladas ou em co-fermentação. As cepas industriais de Saccharomyces cerevisae (Pe-2 e CERLEV 47) podem ser combinadas às selvagens Wickerhamomyces anomalus (CERLEV 1105) e Pichia guilliermondii (CERLEV 1015), nos consórcios Pe-2/CERLEV 1105, Pe-2/CERLEV 1015; CERLEV 47/CERLEV 1105, CERLEV 47/CERLEV 1015.

[024] Para melhor entendimento da presente invenção, abaixo detalhamos exemplos de forma que a invenção possa ser reproduzida por um técnico no assunto, utilizando várias das possibilidades de concretização da invenção, de forma não limitante.

Exemplos Exemplo 1: Pré-tratamento do bagaço de cana

[025] O pré-tratamento do bagaço de cana foi feito de acordo com a descrição da etapa i) do item “descrição detalhada da invenção”. As condições experimentais, bem como as quantidades exatamente utilizadas podem ser encontradas na Tabela 1a, Tabela 1b, abaixo descritas. As Tabelas 2a e Tabela 2b se referem às condições de pré-tratamento do bagaço de cana sob condições otimizadas.

[026] Ao final do pré-tratamento, independentemente das quantidades utilizadas de reagentes, a mistura foi desfibrada em um misturador de lâmina cega a 2.800 rpm por 1 min, filtrada (malha 200, tela de 0,074 mm) e lavada com um excesso de água até que o pH neutro seja atingido. A polpa celulósica pode então ser armazenada a -20 °C em um freezer para etapa posterior de processamento.

a T: temperatura; t: tempo; RLS: razão líquido/sólido; HNQ: 2-hidróxi-1,4-naftoquinona; R: Rendimento.

b CE: conversão enzimática; C: celulose; H: hemiceluloses; L: lignina; CX: conteúdo do componente (X = C, H ou L); RX: remoção de componente (X = C, H ou L), conversão enzimática da glicana para glicose (CEg), xilana para xilose (CXx), Fator H.

c Temperatura 150 °C, tempo de 60 minutos e NaOH 15% m/m; RLS: razão líquido/sólido; HNQ: 2-hidróxi-1,4-naftoquinona; R: Rendimento; CE: conversão enzimática; C: celulose; H: hemiceluloses; L: lignina; CX: conteúdo do componente (X = C, H ou L); RX: remoção de componente (X = C, H or L); ), conversão enzimática da glicana para glicose (CEg), xilana para xilose (CEx). SHNQ: pré-tratamento sem adição de HNQ.

c Temperatura 150 °C, tempo de 60 minutos e NaOH 15% m/m; RLS: razão líquido/sólido; HNQ: 2-hidróxi-1,4-naftoquinona; R: Rendimento; CE: conversão enzimática; C: celulose; H: hemiceluloses; L: lignina; CX: conteúdo do componente (X = C, H ou L); RX: remoção de componente (X = C, H ou L); conversão enzimática da glicana para glicose (CEg), xilana para xilose (CEx). SHNQ: pré-tratamento sem adição de HNQ.

Exemplo 2: Hidrólise enzimática

[027] As reações de hidrólise enzimática são descritas no item ii) da “descrição detalhada da invenção” e por (Bittencourt et al., 2019). As condições experimentais, bem como as quantidades exatamente utilizadas podem ser encontradas na Tabela 3, abaixo descrita.

t: tempo; ART: açúcares redutores totais; CEg: conversão enzimática de glicana a glicose; CEx: conversão enzimática a xilose.

Exemplo 3: Fermentação do hidrolisado enzimático por diferentes espécies de leveduras

[028] A hidrólise enzimática realizada em maior escala (volume final de 550 mL), utilizando a mistura proporcional 85:15 dos coquetéis Cellic CTec® 2 e Cellic HTec® 2, teor de sólidos de 15% (m/v), 3 FPU/g, durante 72 h, origina o hidrolisado para a fermentação. Este hidrolisado é utilizado para fermentação e produção de etanol, utilizando diferentes espécies de leveduras isoladas ou em co-fermentação. As cepas industriais podem ser combinadas às selvagens, nos consórcios Pe-2/CERLEV 1105, Pe-2/CERLEV 1015; CERLEV 47/CERLEV 1105, CERLEV 47/CERLEV 1015. Os resultados obtidos por essas condições experimentais podem ser encontrados na Tabela 4.

[029] Após 140 h de fermentação, a produção máxima de etanol foi de 61,27 g/L pelo consórcio CERLEV 47/CERLEV 1105.

Claims (5)

1. Processo de obtenção de etanol de segunda geração pela utilização da 2-hidróxi-1,4-naftoquinona, caracterizado por compreender uma etapa i) de pré-tratamento do bagaço de cana, utilizando a 2-hidróxi-1,4-naftoquinona; uma etapa ii) de hidrólise enzimática e uma etapa iii) de fermentação.
2. Processo de obtenção de etanol de segunda geração pela utilização da 2-hidróxi-1,4-naftoquinona, de acordo com a reivindicação 1 etapa i), caracterizado pelas condições de reação compreenderem o carregamento de bagaço de cana e água, numa razão líquido/sólido entre 3 - 15 mL/g, hidróxido de sódio na concentração de 5 - 25% m/m, 2-hidróxi-1,4-naftoquinona na concentração de 0,1 - 0,7% m/m, aquecimento entre 100 - 180 °C, por um período de tempo entre 30 e 90 minutos; resfriamento ao final da reação.
3. Processo de obtenção de etanol de segunda geração pela utilização da 2-hidróxi-1,4-naftoquinona, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por ao final do processo da etapa i), a mistura ser desfibrada em um misturador de lâmina cega a no mínimo 2.800 rpm, por, no mínimo,1 minuto, filtrada em malha 200, tela de 0,074 mm e lavada com um excesso de água até que o pH neutro seja obtido.
4. Processo de obtenção de etanol de segunda geração pela utilização da 2-hidróxi-1,4-naftoquinona, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a polpa celulósica poder ser opcionalmente congelada em freezer até sua utilização na etapa de hidrólise enzimática.
5. Uso da 2-hidróxi-1,4-naftoquinona descrita na reivindicação 1, caracterizado por ser para obtenção de etanol de segunda geração.