BR102021010467B1 - Processo de pré-tratamento de extrusão seca do amido auxiliado por biomassa lignocelulósica - Google Patents

Abstract

PROCESSO DE PRÉ-TRATAMENTO DE EXTRUSÃO SECA DO AMIDO AUXILIADO POR BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA. A presente invenção envolve a melhoria do pré-tratamento da extrusão do amido e do tempo de sacarificação enzimática, na produção de xarope de glicose, utilizando extrusão de amido auxiliada com biomassa lignocelulósica. Onde a fonte de biomassa de amido (BA) utilizada é preferencialmente proveniente da mandioca, enquanto a fonte de biomassa lignocelulósico (BL) é preferencialmente o bagaço de cana-de-açúcar (BC).

Description

[001] A presente invenção envolve a melhoria do pré-tratamento da extrusão do amido e do tempo de sacarificação enzimática, na produção de xarope de glicose, utilizando extrusão de amido auxiliada com biomassa lignocelulósica. Onde a fonte de biomassa de amido (BA) utilizada é preferencialmente proveniente da mandioca, enquanto a fonte de biomassa lignocelulósico (BL) é preferencialmente o bagaço de cana-de-açúcar (BC). O processo de extrusão do amido de biomassas amiláceas e biomassa lignocelulósica, processadas em conjunto, promove a melhoria da desconstrução da estrutura cristalina do amido da biomassa amilácea e, consequentemente, a redução do tempo e da carga de enzimas necessária na etapa de hidrólise enzimática do amido em glicose. A glicose pode ser explorada como plataforma para a produção de bioprodutos, biocombustíveis e bioenergia no contexto de biorrefinaria e Bioeconomia. Esta abordagem de mistura de biomassa pode ser uma alternativa para a promoção de um processo de pré-tratamento viável tecnologicamente e economicamente.

CAMPO DE APLICAÇÃO

[002] O processo de pré-tratamento de extrusão seca do amido auxiliado por biomassa lignocelulósica para a redução do tempo, da carga de enzimas necessária, o aumento do rendimento e da produtividade de sacarificação enzimática de amido para produção de xarope de glicose, objeto da presente invenção. Processos mais eficientes que facilitem a utilização de biomassas e seus monossacarídeos explorados como plataforma para bioprodutos e biocombustíveis estão alinhados ao contexto de biorrefinaria e da promoção da Bioeconomia. Com consequente aplicação nos setores industriais relacionados à biocombustíveis, alimentos e obtenção de produtos químicos renováveis, entre outros.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

[003] O processo de pré-tratamento de extrusão seca do amido auxiliado por biomassa lignocelulósica para melhoria da sacarificação de amido para produção de xarope de glicose, objeto da presente invenção, tem por objetivo prover a área pertinente de um processo de extrusão de amido insolúvel e uma biomassa lignocelulósica processadas em conjunto, como pré-tratamento para melhorar a desconstrução da estrutura cristalina do amido e, consequentemente, reduzir o tempo de hidrólise enzimática do amido em glicose, aumentando a produtividade do processo e minimizando o uso de água durante a extrusão. Uma vez que a combinação de α-amilase e amiloglucosidase são empregadas na hidrólise do amido a glicose, e devido à sua natureza semi-cristalina, os grânulos de amido nativo podem ser hidrolisados muito lentamente por essas enzimas hidrolíticas, podendo exigir pré-tratamento. Assim, o pré-tratamento pode acelerar o processo de hidrólise, aumentando a produtividade em glicose e contribuir para eficiência global do processo de obtenção de glicose.

PROBLEMA A SER RESOLVIDO

[004] Na produção de xarope de glicose, a hidrólise ácida do amido, foi comumente utilizada no passado (década dos anos 90) e foi substituída pela hidrólise enzimática, que é a combinação de α-amilase e amiloglucosidase. A substituição da hidrólise ácida ocorreu devido às desvantagens a seguir: falta de especificidade reacional, baixa flexibilidade de processo, formação de subprodutos como furanos, a necessidade de materiais resistentes à corrosão e uso de base para neutralizar suas correntes. No entanto, devido à natureza semicristalina do amido nativo, sua hidrólise usando essas enzimas é geralmente muito lenta (24-96h), requer alta concentração de enzimas e se torna difícil em altas concentrações de sólido (problemas de manuseio e repolimerização de 30 a 40%). Portanto, esta invenção introduz um processo eficiente de pré-tratamento por extrusão que diminui o tempo de sacarificação do amido e a carga de enzimas necessária, aumentando significativamente a produtividade geral do processo, o rendimento e diminuindo custos relacionados ao tempo de uso de equipamento e biocatalisadores.

[005] A invenção refere-se ao processo de extrusão de amido insolúvel de uma biomassa amilácea e uma biomassa lignocelulósica, processadas em conjunto, para aumentar a desconstrução da estrutura cristalina da biomassa amilácea e, consequentemente, reduzir o tempo de hidrólise enzimática do amido em glicose e da carga de enzimas utilizada, aumentar o rendimento e produtividade do processo. A glicose produzida pode ser explorada como plataforma para bioprodutos, biocombustíveis e bioenergia no contexto de biorrefinaria e da Bioeconomia. O processo de extrusão a seco promove economia de água.

[006] Nesta invenção, o exemplo de amido insolúvel utilizado foi o amido de mandioca (AM) insolúvel que foi pré-tratado em uma extrusora de parafuso- duplo ou dupla rosca misturando-se com bagaço de cana-de-açúcar (BC), o exemplo de biomassa lignocelulósica utilizada, em diferentes relações (1:0,25 a 1:1). A adição de BC aumentou o torque na câmara interna do parafuso-duplo e o tempo de residência do amido, melhorando assim os efeitos mecânicos e térmicos do pré-tratamento, respectivamente. Com essa invenção, as capacidades de absorção e solubilidade do amido de mandioca (AM) na água foram aumentadas em 145% e 12.640%, respectivamente. A produtividade em glicose após 3 h de hidrólise enzimática (utilizando coquetel de α-amilases e amiloglucosidases fúngicas) também foi aumentada em mais de 250%, o tempo de sacarificação e a carga de enzimas utilizada foram significativamente reduzidos. Vale ressaltar que os efeitos descritos também serão observados utilizando o amido insolúvel oriundo de outras fontes, se mantidas as características de índice de absorção de água (WAI) de 0 a 4 g/g, e índice de solubilidade da água (WSI) de 0 a 8%, misturado com outras biomassas lignocelulósicas com composição de celulose, hemicelulose, lignina e cinzas nas faixas de 32-50%, 19-26%, 20-32% e 2-6% respectivamente.

[007] O processo convencional de solubilização do amido envolve uma etapa de gelatinização hidrotérmica (geralmente por cozimento a jato), que corresponde à abertura da estrutura de amido por hidratação do polímero para aumentar a acessibilidade das enzimas aos polissacarídeos, e liquefação (uma hidrólise parcial e irreversível com α-amilase) do amido antes da sacarificação (com amiloglucosidase). A gelatinização hidrotérmica, no entanto, demanda uma alta quantidade de energia e alta umidade.

[008] O uso do cozimento por extrusão, em alta temperatura e curto período de tempo, para gelatinização do amido está sendo cada vez mais adotado devido ao seu custo operacional relativamente mais barato e à possibilidade de um processo contínuo. Mesmo que a tecnologia de cozimento por extrusão, seja mais barata para a gelatinização de amido e possa ser operada em um processo contínuo, pode ocorrer uma retrogradação do amido pré-tratado, que corresponde ao realinhamento dos polissacarídeos (amilose e amilopectina) no amido cozido e gelatinizado, quando resfriado abaixo de 60°C. Ainda, o amido pré-tratado por extrusão pode apresentar alta viscosidade, levando a dificuldade de manuseio no processo de sacarificação. Para vencer os desafios da viscosidade e da retrogradação causadas pela extrusão, tem sido proposta a tecnologia por bioextrusão, que é a extrusão reativa com enzimas. No entanto, essa tecnologia requer o uso de α-amilases resistentes ao calor e alto teor de umidade. Isso representa uma desvantagem frente à solução apresentada por esta invenção, uma vez que são necessárias condições adequadas para a ação enzimática (por exemplo, ajuste de pH) durante a extrusão, acarretando uma maior complexidade para o controle do processo de extrusão.

ESTADO DA TÉCNICA

[009] Biomassas vegetais são matérias-primas renováveis e podem ser classificadas quanto a sua origem como: sacaríneas, amiláceas ou lignocelulósicas. Vários produtos agrícolas são usados diretamente na alimentação ou processados para obtenção de outros produtos, que podem estar também direcionados a alimentação ou a outros setores industriais. Em geral, as biomassas vegetais são majoritariamente compostas por polissacarídeos, que quando hidrolisados geram açúcares simples, como por exemplo a glicose, que possuem diversas aplicações na síntese de produtos químicos industrialmente importantes, tais como, furanos, álcoois de açúcar, ácidos e alquil éteres de açúcares. Tais produtos possuem aplicações nas indústrias de biocombustíveis, alimentos, produtos químicos, farmacêuticos, agrícolas ou cosméticos. Os resíduos agroindustriais resultantes podem também ser usados em processamento posteriores, agregando valor à cadeia produtiva como um todo. Um exemplo dessa biomassa é a mandioca, apresentando sua maior produção global na Nigéria, com mais de 59 milhões de toneladas em 2018, sendo o Brasil o quinto maior produtor, com mais de 18 milhões de toneladas em 2018. A raiz da mandioca contém o maior conteúdo de amido dentre as estruturas da planta, correspondendo a cerca de 86 - 91% em base seca da massa total. O caule e a casca da mandioca também contêm teores de amido de até 42% e 60% (base seca), respectivamente.

[010] O amido é semicristalino na natureza, e a modificação de suas propriedades físico-químicas é geralmente necessária para quebrar sua estrutura cristalina e ampliar suas aplicações. O índice de cristalinidade do amido é determinado pela razão entre a amilopectina e amilose. Uma maior proporção de amilopectina indica maior cristalinidade e vice-versa. O teor de amilose no amido de mandioca é baixo (8 - 28%), sendo normalmente reportado entre 16% e 18%. Portanto, devido à alta proporção de amilopectina, o amido da mandioca apresenta alta cristalinidade.

[011] A modificação do amido pode ocorrer através de métodos físicos, como o uso de calor, pressão e umidade (por exemplo, extrusão e tratamento hidrotérmico), métodos químicos (como esterificação, eterificação, hidrólise ou oxidação), métodos enzimáticos ou métodos combinados.

[012] A hidrólise ácida do amido, que era comumente usada na década dos anos 90, foi substituída pela hidrólise enzimática devido a desvantagens, tais como: falta de especificidade reacional, baixa flexibilidade de processo, formação de subprodutos como furanos, necessidade de materiais resistentes à corrosão e uso de base para neutralizar suas correntes. Assim, uma combinação de α-amilase e amiloglucosidase passou a ser comumente empregada para hidrólise de amido, a fim de superar os problemas da hidrólise ácida (Uthumporn et al., 2010, Food and bioproducts processing, 88 (1), 47; Azmi et al., 2017, International food research journal, 24 (12), 265). Nesse processo de hidrólise enzimática, a α-amilase, uma endoenzima carboidrase, hidrolisa a cadeia linear da amilose atacando ao acaso as ligações α-1,4- glicosídicas em posições internas, produzindo oligossacarídeos com número de unidades variados, como dextrinas, isomaltoses, maltotrioses e maltopentoses, reduzindo assim a viscosidade da solução, e prevenindo a retrogradação do amido. Já as amiloglucosidases catalisam a hidrólise das ligações α-1,4 e α-1,6 dos polissacarídeos do amido e podem catalisar a hidrólise dos produtos de degradação da α-amilase em glicose. Por fim, os açúcares do amido liquefeito são convertidos em glicose a partir da sacarificação por amiloglucosidase. Essas enzimas são aplicadas principalmente na indústria de alimentos para produzir xaropes de glicose, frutose e maltose, para a hidrólise do amido na fabricação de cerveja, e também como agente antienvelhecimento em panificação. As amilases também são usadas em várias outras indústrias, como: (1) na indústria de biocombustíveis, para a conversão de amido em glicose para a produção de bioetanol, (2) na indústria de detergentes, como aditivos para remoção de manchas à base de amido, (3) na indústria de celulose e papel, na modificação do amido para colagem superficial e revestimento, (4) na indústria têxtil, para desengomagem durante acabamento têxtil, e (5) na indústria farmacêutica, em tônicos digestivos para a hidrólise do amido em glicose e maltose.

[013] O método convencional de hidrólise enzimática do amido é feito em três etapas. Em primeiro lugar, o amido é gelatinizado (por aquecimento e em excesso de água), que correspondente à abertura da estrutura de amido por hidratação do polímero para aumentar a acessibilidade das enzimas aos polissacarídeos do amido (Ruiz et al., 2011, Journal of the Brazilian chemical society, 22 (12), 2337; Gatt et al., 2018, Industrial crops and products, 122, 329). O segundo passo envolve a liquefação do amido gelatinizado e a hidrólise da dextrina pelas α-amilase.

[014] No entanto, devido à sua natureza semicristalina, os grânulos de amido são hidrolisados muito lentamente por essas enzimas hidrolíticas (Uthumporn et al., 2010, Food and bioproducts processing, 88 (1), 47; Uthumporn et al., 2012, Applied biochemistry and biotechnology, 166 (5), 1167; Martínez et al., 2015, Food chemistry, 167, 447). A liquefação do amido leva cerca de 30 a 90 min, enquanto a sacarificação subsequente leva cerca de 12 a 96 h, dependendo das especificações do produto final. Conforme citado por Lee & Kim (1990), Journal of food science, 55 (5), 1365, uma grande proporção, cerca de 30%, da energia total necessária para a produção de etanol a partir do amido é consumida durante a gelatinização do amido. A abordagem convencional de gelatinização hidrotérmica geralmente envolve o uso de um equipamento, que opera com alto teor de umidade (mínimo de 65% em peso) para um bombeamento fácil da amido gelificado, e requer mais calor (100 - 175°C) para atingir a temperatura de gelatinização (Grafelman & Meagher, 1995, Journal of food engineering, 24 (4), 529; Van der Maarel et al., 2002, Journal of biotechnology, 94 (2), 137). Este cozimento sob condições de excesso de umidade é um processo altamente energético e de baixa economicidade (Lee & Kim 1990, Journal of food science, 55 (5), 1365; Grafelman & Meagher 1995, Journal of food engineering, 24 (4), 529; Ruiz et al., 2011, Journal of the Brazilian chemical society, 22 (12), 2337).

[015] Muitos estudos têm tentado aplicar uma nova tecnologia de extrusão conhecida como “high temperture short time (HTST) extrusion cooking (cozimento por extrusão em alta temperatura e em curto período de tempo)”, uma técnica de produção de amido modificado relativamente barata, aplicada na gelatinização e liquefação do amido (Lee & Kim, 1990, Journal of food science, 55 (5), 1365; Grafelman & Meagher, 1995, Journal of food engineering, 24 (4), 529; Moscicki et al., 2013, Advances in agrophysical research, 319; Martínez et al., 2015, Food chemistry, 167, 447; Neder-Suárez et al., 2016, Molecules, 21 (8), 1064; Ali et al., 2019, Plant foods for human nutrition, 74 (4), 474; Ali et al., 2020, Journal of food processing and preservation, 44 (7), e14531). Durante este processo, o amido é submetido a altas temperaturas e ao cisalhamento mecânico, com níveis de umidade relativamente baixos (Martínez et al., 2015, Food chemistry, 167, 447). No entanto, essa tecnologia, quando aplicada sozinha, sofre um revés do rápido fenômeno da retrogradação. Também são verificadas dificuldades de manuseio na etapa de sacarificação subsequente dos extrudados altamente viscosos (Linko et al., 1983,Journal of cereal science 1(4), 275 ; Gatt et al., 2018, Industrial crops and products, 122, 329).

[016] Existem várias invenções relacionadas à extrusão de amido ou biomassas amiláceas, com foco principal na melhoria da textura ou aparência dos alimentos, qualidades nutricionais dos alimentos, produção de polímeros biodegradáveis à base de amido e amido resistente. Por outro lado, poucas invenções se concentraram em reduzir o tempo de sacarificação do amido e aumentar o rendimento do processo por meio da extrusão (CN101054605A, Processing method, device and saccharification method for starch syrup raw material by extruding and adding enzyme; US8241685B2, Processing method and device for extrusion of raw materials with enzymes added for production of starch syrup, and saccharogenic method for extruded raw materials; CN103642877A, Technology for producing starch syrup by employing enzymatic extrusion of broken rice). As patentes disponíveis a este respeito empregam bioextrusão, nas quais a α-amilase é adicionada ao amido durante o processo de cozimento por extrusão (65 - 150°C), a fim de liquefazer simultaneamente o amido gelatinizado e evitar sua retrogradação. No entanto, este processo exige 15 a 75% de teor de umidade, α-amilase resistente ao calor e ajustes de pH (5,8 a 7,0) para ação enzimática usando ácidos e bases (CN101054605A, Processing method, device and saccharification method for starch syrup raw material by extruding and adding enzyme; US8241685B2, Processing method and device for extrusion of raw materials with enzymes added for production of starch syrup, and saccharogenic method for extruded raw materials; CN103642877A, Technology for producing starch syrup by employing enzymatic extrusion of broken rice). Por outro lado, não existem relatos do uso de biomassas lignocelulósicas para auxiliar no pré-tratamento do amido por extrusão, diminuindo a cristalinidade do amido insolúvel e, consequentemente, reduzindo o tempo de hidrólise enzimática e aumentando o rendimento do processo, como revelado por essa invenção. Dentre esses documentos de patente podem-se destacar os seguintes:

[017] O documento de patente PI 0101283-5, PROCESSOS DE SACARIFICAÇÃO DIRETA DE BATATA DE MANDIOCA, E DE FERMENTAÇÃO DE AMINOÁCIDO, onde são apresentados aqui uma sacarificação de batata de mandioca sem separar e purificar o amido de tapioca da mesma, pela qual uma solução de sacarídeo com alta concentração poderá ser preparada, e um processo de fermentação de um aminoácido onde a solução de sacarídeo assim preparada é a matéria-prima para uma fermentação de aminoácido. A invenção presente refere-se a um processo de sacarificação de batata de mandioca que compreende a secagem da batata de mandioca crua descascada até um teor de água de 16% ou menos, pulverizando a batata de mandioca seca resultante para produzir pós finos tendo um tamanho de partícula de 150 m ou menos, adicionando-se água aos pós finos em tal quantidade que é preparada uma suspensão de amido cru onde o teor de amido é de 35% em peso ou maior, e posteriormente submetendo-se a referida suspensão à liquefação e sacarificação enzimática com uma enzima de liquefação de amido e uma enzima de sacarificação onde uma solução de sacarídeo com alta concentração poderá ser preparada, e a um processo de fermentação de um aminoácido onde a solução de sacarídeo é preparada como uma fonte de carbono para uma fermentação de aminoácido;

[018] O documento de patente PI 0606021-8, PROCESSO PARA OBTENÇÃO DE ETANOL EXTRAÍDO DE BATATA-DOCE, que descreve um processo para obtenção de etanol extraído da batata-doce, é constituído por um processo para extração de álcool etanol (1) a partir da matéria prima de amido de batata- doce (2) e sua devida sacarificação (3), pertencente ao campo da indústria alcooleira, onde a batata-doce é moída (4) e transformada em farelos, sendo então acrescentada água (5) numa proporção de vinte por cento (20%) do volume original ou mais, dependendo das propriedades do equipamento agitador (6), submetendo a mistura ao calor (7), e assim que alcance os setenta graus centígrados (70°C), acrescentar a enzima alfa-amilase (8) (nome comercial termamyl 120L) na proporção de 500 ml para cada tonelada de amido; manter a mistura ou mosto, aquecido entre 90 e 95°C por cerca de 120 minutos. Sacarificação e fermentação: diluir o mosto para obter-se ao final da fermentação a quantidade de 10 a 11°GL; resfriar (9) até temperatura entre 28 e 34°C e efetuar a correção do pH (10) para valores de 5,0 a 5,5; encaminhar o mosto para um tanque fermentador (11) para que atinja de 5 a 10% de sua capacidade e adicionar o inóculo de levedura e a enzima (12) referente ao seu volume total;

[019] O documento de patente PI112013001179-3, SACARIFICAÇÃO E FERMENTAÇÃO EM PH NEUTRO, sobre a sacarificação e fermentação em pH neutro - a presente invenção refere-se a um processo para produção de produtos a jusante, como açúcares fermentáveis e produtos finais, de um substrato de amido por sacarificação e/ou fermentação. a sacarificação é efetivamente catalisada por uma glicoamilase em um pH na faixa de 5,0 a 8,0. em um ph de 6,0 ou acima, a glicoamilase possui pelo menos 50% de atividade em relação a sua atividade máxima. os processos de sacarificação e fermentação podem ser executados como um processo simultâneo de sacarificação e fermentação (SSF);

[020] O documento de patente PI 112013027170-1, PROCESSO EM PH ÚNICO PARA LIQUEFAÇÃO E SACARIFICAÇÃO DE AMIDO PARA XAROPES DE GLICOSE DE DENSIDADE ALTA, onde a presente invenção refere-se a um processo para produzir produtos a jusante, como xaropes de glicose de densidade alta e matéria-prima de fermentação alta em glicose, a partir de um substrato contendo amido sem um ajuste de pH antes da etapa de sacarificação. A sacarificação é efetivamente catalisada por uma glicoamilase em um pH na faixa de 5,2 a 5,6;

[021] O documento de patente PI 112014007537-9, LIQUEFAÇÃO E SACARIFICAÇÃO DE AMIDO GRANULAR EM CONCENTRAÇÃO ALTA, onde a presente invenção refere-se a métodos de processamento de amido granular em pastas aquosas que contêm alto teor de sólidos secos. As pastas aquosas são inicialmente incubadas com enzimas na ou abaixo da temperatura de gelatinização. O uso de pululanase e glicoamilase em doses especificadas permite rendimentos de glicose aprimorados em custo de energia mais baixo;

[022] O documento de patente PI 112016024368-4, SACARIFICAÇÃO E COFERMENTAÇÃO SIMULTÂNEAS DE CEPAS FÚNGICAS QUE EXPRESSAM GLICOAMILASE COM UM ETANOLÓGENO PARA PRODUZIR ÁLCOOL A PARTIR DE MILHO, onde a presente invenção se refere a um processo de conversão que fornece o uso de diferentes linhagens celulares cocultivadas para expressar diferentes conjuntos de enzimas que catalisam o mesmo processo. Por exemplo, em um processo de sacarificação e cofermentação simultâneas (SSCF), um substrato de amido é convertido em álcool pela colocação do substrato em contato com células de levedura e de Aspergillus niger. devido ao fato de que A. niger expressa uma glicoamilase endógena e uma alfa-amilase endógena, estas enzimas não precisam ser adicionadas durante o processo de SSCF;

[023] O documento de patente PI 112017013172-2, MISTURAS DE GLUCOAMILASE, onde são proporcionados métodos de sacarificação de um substrato de amido, compreendendo contatar o substrato de amido com uma glucoamilase consistindo ou compreendendo a sequência de aminoácidos da glucoamilase de Fusarium verticillioides (fv-ga) e contatar adicionalmente o substrato de amido com pelo menos uma glucoamilase adicional. São proporcionados métodos adicionais de sacarificação e fermentação de um substrato de amido para preparar um produto final, um produto final bioquímico e uma bebida fermentável usando uma combinação de fv-ga e pelo menos uma glucoamilase adicional;

[024] O documento de patente PI 112018011755-2, VARIANTES COMBINATÓRIAS DE ALFA-AMILASE, onde a presente invenção refere-se a composições e métodos em relação a alfa-amilases variantes. As alfa-amilases variantes são úteis, por exemplo, para liquefação e sacarificação de amido, para limpar colorações ricas em amido em lavanderia, lavagem de louças e outras aplicações, para processamento têxtil (por exemplo, desencolagem), em alimentação animal para aperfeiçoar digestibilidade e para cozimento e fabricação de cerveja;

[025] O documento de patente PI 112016011654-2, PROCESSO PARA PRODUZIR BIOMASSA, BIOMASSA, COMPOSIÇÃO, KIT DE ADITIVO DE ALIMENTO, ALIMENTO, PRÉ-MISTURA, MÉTODO PARA APRIMORAR UMA CARACTERÍSTICA BIOFÍSICA DE UM ANIMAL, USO DE UMA COMPOSIÇÃO DE ADITIVO DE ALIMENTO, MÉTODO DE PREPARO DE UMA RAÇÃO, MÉTODO DE SACARIFICAÇÃO E MÉTODO DE PRODUÇÃO DE ÁLCOOL, o qual trata-se de um processo para a desestruturação mecânica de biomassa à base de amido desenvolvido que faz uso de uma curta aplicação de altas forças de compressão, de impacto e de cisalhamento. A biomassa pode ser desestruturada com o uso de uma entrada de energia específica que é menor que 40% da energia combustível total da biomassa. A biomassa à base de amido desestruturada, com ou sem enzimas de glicosil hidrolase em alimento e/ou sacarificação, pode ser usada em aplicações de alimento. A biomassa à base de amido desestruturada pode ser sacarificada para produzir xaropes e açúcares fermentáveis e para a produção de produtos, incluindo etanol, com o uso de um biocatalisador;

[026] O documento de patente PI 112019018873-8, PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE ETANOL COMBUSTÍVEL COM O USO DE AMIDO DE MILHO COMO MATÉRIA-PRIMA, que descreve um processo para produção de etanol combustível com o uso de amido de milho como matéria-prima. A presente invenção revela um processo para produzir etanol combustível com o uso de amido de milho como matéria-prima, que compreende uma seção de pulverização e liquefação de material amiláceo, uma seção de sacarificação, uma seção de fermentação, uma seção de desidratação por destilação de etanol, uma seção de tratamento abrangente de resíduo. A presente invenção usa o amido de milho como matéria-prima para a produção de etanol combustível por fermentação, e o método é simples. A qualidade do etanol combustível obtido atende à norma padrão nacional GB 18350-2013. A pasta fluida de alta concentração é injetada e liquefeita por um injetor de alto desempenho de um estágio ou de múltiplos estágios, e um processo de troca de calor do tipo mosto-mosto, reuso de líquido claro para mistura e outros meios técnicos são combinados para garantir o efeito de liquefação e alcançar o propósito de economia de energia e economia de água. A tecnologia de integração otimizada de energia é adotada em cada seção, e o consumo total de vapor é menor ou igual a 3,0 toneladas de vapor/ tonelada de etanol anidro. ao mesmo tempo, o investimento em dispositivos é menor do que o processo tradicional, o fluxo do processo é simples e eficiente, e a manutenção é conveniente. Além disso, a temperatura do mosto residual da torre bruta pode ser controlada a cerca de 80 a 95°C, e o índice de cor de alimentação de DDGS é obviamente melhorado;

[027] O documento de patente PI 0900700-8, MÉTODO PARA PRODUÇÃO DE ETANOL A PARTIR DE BATATA DOCE ESTILHAÇADA A VAPOR ATRAVÉS DE FERMENTAÇÃO, que descreve um método para produção de etanol a partir de batata doce estilhaçada a vapor através de fermentação. A invenção fornece um método para a produção de etanol a partir de batata doce estilhaçada a vapor através de fermentação o qual inclui as etapas de: 1) sujeitando a batata doce a um tratamento de explosão a vapor; 2) sujeitando a batata doce, após a explosão a vapor, à sacarificação e fermentação; e 3) coleta do etanol produzido pela fermentação. Na invenção, a batata doce é submetida a um pré-tratamento utilizando uma tecnologia de explosão a vapor em baixa pressão, em curto tempo, a qual omite o processo de cozimento de longa duração para a matéria prima baseada em amido e reduz o consumo de energia para a produção de etanol através de fermentação; e, em virtude do fato da batata doce tratada por explosão a vapor ser submetida diretamente à sacarificação e fermentação em estado sólido, o teor de água na massa de fermentação é reduzido grandemente de modo a aumentar a concentração de etanol na massa de fermentação, reduzir o consumo de energia para destilação, reduzir as subsequentes etapas de tratamento para a água residual e diminuir o custo de produção, o que é benéfico para a utilização compreensiva da batata doce;

[028] O documento de patente PI 112014007258-2, MÉTODO PARA PRODUZIR ETANOL USANDO BIOMASSA CELULÓSICA COMO MATÉRIA- PRIMA, sobre um método para produzir etanol usando biomassa celulósica como matéria-prima, separação de sólido-líquido;

[029] O documento de patente US2019316161, PROCESSING BIOMASS, onde métodos são fornecidos para reduzir uma ou mais dimensões de pedaços individuais de biomassa; tratamento de biomassa, como biomassa de tamanho reduzido; alterar uma estrutura molecular de um material de biomassa; e, opcionalmente, submeter a biomassa a um processo primário para formar um produto. Os métodos incluem o processamento de materiais de biomassa usando um processo de extrusão de parafuso e o tratamento do material de biomassa com um processo de extrusão de parafuso em etapas de redução de tamanho e tratamento;

[030] O documento de patente US2015132818, GLYCOSYLATION METHOD OF ALGAE OR AGRICULTURAL BY-PRODUCTS COMPRISING HIGH- PRESSURE EXTRUSION PULVERIZATION STEP, onde é divulgado um método de sacarificação de biomassa, como algas ou subprodutos agrícolas, realizando um processo de extrusão de alta pressão para pulverização da biomassa, como algas ou subprodutos agrícolas e, mais particularmente, para um método de sacarificação de biomassa, que inclui homogeneizar e triturar algas ou subprodutos agrícolas, e extrudar as algas ou subprodutos agrícolas através de um tubo de micro diâmetro para pulverizar as algas ou subprodutos agrícolas. Polímeros não biodegradáveis, como celulose, que é um polissacarídeo incluído na biomassa, como algas ou subprodutos agrícolas, hemiceluloses, amido e polissacarídeo complexo, são hidrolisados com alta eficiência de glicosilação por meio de um processo de pré-tratamento ecologicamente correto usando água;

[031] O documento de patente CN103497982, PRETREATMENT METHOD ASSISTS IN REALIZING WHEAT STRAW HIGH-EFFICIENCY ENZYMATIC HYDROLYSIS CONVERSION, onde a invenção se refere a um método de pré- tratamento que auxilia na realização de conversão de hidrólise enzimática de alta eficiência de palha de trigo. O método compreende as etapas que: as palhas de trigo são embebidas e submetidas à extrusão helicoidal; H2SO4 ou hidróxido de sódio é adicionado; água destilada é adicionada; é realizada a vaporização, a extrusão da extrusora de parafuso e o banho de água a temperatura constante; tratamento de moagem de dois estágios, seleção e hidrólise enzimática são realizados; sob uma condição estéril, é adicionada solução de enzima, e cultura a temperatura constante e hidrólise enzimática são realizadas; e o hidrolisado de palha de trigo é obtido após hidrólise enzimática. De acordo com a invenção, partes de dispositivos existentes em uma indústria de polpação são suficientemente utilizadas, e o processo de pré- tratamento pode ser concluído sem investimento adicional, de modo que grande custo econômico seja economizado. Além disso, com o método, as fábricas existentes podem ser efetivamente fundidas com a indústria de refino de biomassa, de modo que a indústria de refino de biomassa composta possa ser desenvolvida, e o desenvolvimento sustentável das indústrias de celulose e fabricação de papel é beneficiado;

[032] O documento de patente CN101054605A, PROCESSING METHOD, DEVICE AND SACCHARIFICATION METHOD FOR STARCH SYRUP RAW MATERIAL BY EXTRUDING AND ADDING ENZYME, onde a invenção pertence a um método de processamento, equipamento de processamento e método de sacarificação do xarope de amido a partir do cozimento do material por extrusão com adição de enzimas para o processo de produção de açúcar de amido. As principais características técnicas são: fornecer equipamento para extrusão do material em xarope de amido com adição de uma preparação enzimática, fornecer melhor parâmetro do sistema de extrusão e método de glicação usando açúcar de amido extrudido, fornecer uma fácil filtração do licor. Em comparação com a produção de xarope de amido atual usando dois tipos de enzima sem extrusão do material, a invenção reduz o tempo de sacarificação para 1/2 a 1/3 quando atingiu o mesmo valor de sacarificação e não por material extrudado;

[033] O documento de patente US8241685B2, PROCESSING METHOD AND DEVICE FOR EXTRUSION OF RAW MATERIALS WITH ENZYMES ADDED FOR PRODUCTION OF STARCH SYRUP, AND SACCHAROGENIC METHOD FOR EXTRUDED RAW MATERIALS, Onde a invenção se refere genericamente ao campo da produção de xarope de amido, especificamente a um método de processamento e um dispositivo para a extrusão de matérias- primas com enzimas adicionadas para xarope de amido e a um método sacarogênico das matérias-primas extrudadas. Esta invenção divulga o tipo e a quantidade de enzimas adicionadas, os parâmetros apropriados do método de processamento e o dispositivo para a extrusão de matérias-primas com enzimas adicionadas para xarope de amido e o método sacarogênico apropriado das matérias-primas extrudadas para xarope de amido. O método de processamento e o dispositivo desta invenção são tais que o processo de liquefação a jato como usado no método de enzima dupla tradicional para a produção de xarope de amido pode ser poupado e o xarope de amido com o mesmo valor DE pode ser obtido em um tempo de sacarificação que pode ser encurte 2 a 4 vezes o tempo de sacarificação tradicional;

[034] O documento de patente CN103642877A, TECHNOLOGY FOR PRODUCING STARCH SYRUP BY EMPLOYING ENZYMATIC EXTRUSION OF BROKEN RICE, onde a invenção divulga uma tecnologia para a produção de xarope de amido empregando extrusão enzimática de arroz quebrado. Uma extrusora de dupla rosca é considerada um biorreator contínuo, e uma tecnologia de processamento de transformação enzimática contínua em amido é alcançada utilizando uma pluralidade de funções, tais como transporte, mistura e aquecimento da extrusora de dupla rosca sob a participação de amilase. A tecnologia compreende as seguintes etapas principais: a extrusão enzimática; trituração e mistura de tamanhos; liquefazer; sacarificante; matar a enzima e resfriar, de modo a obter xarope hidrolisado após a filtração, realizando então a troca iônica através de uma coluna de troca aniônica e catiônica; finalmente, descoloração e concentração, de forma a obter diferentes concentrações do xarope de amido. Ao adotar a tecnologia, o xarope de amido é produzido empregando a extrusão enzimática do arroz quebrado, o tempo de liquefação e o tempo de sacarificação são obviamente encurtados, a taxa de produção de açúcar do arroz quebrado é melhorada, o custo de produção é reduzido e o amido preparado o xarope é estável em propriedades e é totalmente aplicado na indústria de alimentos.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[035] A seguir faz-se referência às Figuras que acompanham este relatório descritivo, para melhor entendimento e ilustração do mesmo, onde se vê:

[036] A Figura 1 mostra um esquema do fluxograma do processo de pré- tratamento de extrusão seca do amido auxiliado por biomassa lignocelulósica para a redução do tempo de sacarificação enzimática por amilases na produção de xarope de glicose, objeto da presente invenção.

[037] A Figura 2 mostra a configuração de parafuso de uma extrusora de dupla- rosca, sendo: (A) o Elemento de Condução arranjados de maneira a produzir fluxo positivo (para frente) (ECF); o, (B) o Elemento de malaxagem ou amassamento ou mistura (EM); (C) o Elemento de condução que produz fluxo negativo (para trás) (ECR); (D) o Parafuso-duplo antes do pré-tratamento, com parafusos configurados com os elementos de condução e mistura, formando 4 zonas de transporte e 3 de misturas; e (E) o Parafuso-duplo durante o pré- tratamento, mostrando a biomassa acumulada (BA) em uma zona de malaxagem 3.

[038] A Figura 3 mostra o rendimento de glicose (%) da hidrólise enzimática de amido de mandioca (AM) in natura (não tratada); amido pré-tratado em baixo torque (AMP - baixo torque); amido pré-tratado em alto torque (AMP - alto torque); e a mistura de amido de mandioca (AM) de bagaço de cana-de-açúcar (BC) pré-tratada na proporção AM:BC de 1:0,25 (AM:BC 1:0,25). AMP se refere ao amido de mandioca extrusado sozinho, sem a mistura com bagaço de cana- de-açúcar.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[039] O processo de pré-tratamento de extrusão seca do amido auxiliado por biomassa lignocelulósica, objeto da presente invenção, trata a redução do tempo e da carga de enzimas utilizada e aumento do rendimento na sacarificação enzimática do amido para a produção de xarope rico em glicose a partir de amido de mandioca, a partir de redução da cristalinidade do amido quando o mesmo é extrusado conjuntamente com uma biomassa lignocelulósica que compreende as etapas de: (a) pré-tratamento físico e contínuo de matéria-prima contendo amido insolúvel, como o amido de mandioca, uma biomassa amilácea, misturada com uma biomassa lignocelulósica, como o bagaço de cana-de-açúcar, em uma extrusora de dupla-rosca; (b) hidrólise enzimática da mistura das biomassas pré-tratadas; e (c) separação do xarope de açúcares do sólido residual não hidrolisado.

[040] Para os fins desta invenção, o amido da mandioca (AM) foi a fonte amilácea utilizada, enquanto o bagaço de cana-de-açúcar (BC) foi a fonte de material lignocelulósico utilizado.

[041] Para fins desta invenção, outras biomassas amiláceas (BA) podem também receber este pré-tratamento de forma efetiva. Outras biomassas lignocelulósicas (BL) podem também ser utilizadas em substituição ao bagaço de cana-de-açúcar.

[042] Para fins desta invenção, as fontes amiláceas são pertencentes ao grupo consistido por mandioca, batata, milho, trigo, arroz, inhame e as fontes de biomassas lignocelulósicas podem ser oriundas de resíduos agrícolas como bagaços de cana-de-açúcar; palha de soja, milho, arroz e cana-de-açúcar; sabugos como o do milho e mileto; subprodutos do processamento de madeiras como a serragem e folhas.

[043] Para fins desta invenção, o amido contido na biomassa amilácea (BA) utilizada deve apresentar-se visualmente insolúvel em água e ter índice de absorção de água (WAI) de 0 a 4 g/g e índice de solubilidade da água (WSI) de 0 a 8%. A composição química das biomassas lignocelulósicas (BL) pode variar sem alterar a eficiência do processo de pré-tratamento. Preferencialmente, a composição recomendável da biomassa lignocelulósica (BL) deve estar na faixa de 32-50% de celulose, 19-26% de hemicelulose, 20-32% de lignina e 26% de cinzas encontrada no bagaço de cana-de-açúcar (BC).

[044] Em um aspecto da invenção: a etapa (a) ocorre de forma contínua em uma extrusora dupla-rosca, com controlador de temperatura e rotação dos parafusos, na qual a biomassa amilácea misturada com a biomassa lignocelulósica é pré-tratada. O pré-tratamento físico do amido auxiliado pela biomassa lignocelulósica na extrusora visa à desconstrução de estrutura recalcitrante do amido, facilitando o acesso na etapa (b) das enzimas hidrolíticas atuam sobre o amido, o que irá permitir a liberação eficiente da glicose no decorrer da hidrólise.

[045] A configuração do parafuso influencia diretamente no cisalhamento e, portanto, no pré-tratamento do amido quando misturado com a biomassa lignocelulósica. A configuração testada seguiu a publicação de Moro et al. (2017), Industrial crops and products, 97, 509 - 517, que utilizou a mesma extrusora para tratamento exclusivo de biomassas lignocelulósicas. Preferencialmente, os parafusos foram montados com sessões de transporte de biomassa, com os elementos condutores ou transportadores, intercaladas a três sessões de mistura e cisalhamento da biomassa, com elementos de mistura, contendo ainda um elemento condutor reverso ao final da terceira sessão de mistura, com a finalidade de manter mais biomassa e por mais tempo na terceira sessão de mistura (Fig 2).

[046] Na etapa (a), a biomassa amilácea (BA) é misturada com a biomassa lignocelulósica (BL) em diferentes razões BA:BL (1:0,25 a 1:1) e cada mistura, deve ter teor de umidade de aproximadamente 10%, para então ser alimentada na extrusora dupla-rosca com parafusos em co-rotação, com a finalidade de selecionar a razão de BA:BL pré-tratada para gerar a maior concentração de glicose em menor tempo de hidrólise enzimática com menor carga de enzimas utilizada.

[047] Na fase prospectiva da etapa (a), necessária para definir a melhor razão BA:BL a ser utilizada, são realizados de 3 a 10 ciclos de extrusão, com velocidade de rotação dos parafusos da extrusora de 30-250 rpm e temperatura da câmera de extrusão de 40-200°C.

[048] As biomassas extrudadas na fase prospectiva da etapa (a) são hidrolisadas enzimaticamente na etapa (b), com a finalidade de escolher a razão BA:BL cujo pré-tratamento é mais eficiente. O efeito do pré-tratamento é analisado através da quantificação de glicose gerada por tempo para cálculo da produtividade e do cálculo dos valores de rendimento de conversão de amido em glicose dos hidrolisados (xarope de glicose), durante a hidrólise enzimática.

[049] Na etapa (b) a biomassa desestruturada é submetida à hidrólise enzimática para a liberação dos açúcares contidos na biomassa. Esta etapa ocorre por meios pertencentes ao estado da técnica, utilizando enzimas conhecidas pelos especialistas no assunto, como por exemplo, α-amilases, amiloglucosidases, ou uma mistura destas, durante um período entre 3 a 24 horas.

[050] Opcionalmente, ao final da fase prospectiva descrita na etapa (a), pode- se proceder a fase de otimização da etapa (a), após a escolha da razão BA:BL de 1:0,25, a otimização das condições de extrusão é realizada por um Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) 22, variando a velocidade de rotação dos parafusos da extrusora de 30 rpm a 250 rpm e a temperatura da câmara de 40 °C a 200 °C.

[051] Na etapa (c) ocorre a separação da mistura reacional ou xarope rico em glicose do sólido residual, e a obtenção do produto final.

[052] Doravante, o processo será descrito com base em alguns dos exemplos práticos realizados pelos inventores. Entretanto, deve ser considerado que tais exemplos são meramente ilustrativos e não limitativos da realização da invenção. A limitação dos direitos dos inventores, que devem ser atribuídos somente pelo conteúdo reivindicado nas reivindicações anexas.

Exemplos:

[053] A mandioca foi a fonte do amido utilizada nos exemplos listados, enquanto o bagaço de cana-de-açúcar (BC) foi a fonte de material lignocelulósico utilizado.

[054] Contudo outras matérias-primas amiláceas podem também receber este pré-tratamento de forma efetiva.

[055] Outras biomassas lignocelulósicas podem também ser utilizadas em substituição ao bagaço de cana-de-açúcar (BC).

[056] O amido de mandioca (AM) utilizado teve índice de absorção de água (WAI) abaixo de 2,2 g/g, e índice de solubilidade da água (WSI) de 0,23%, apresentando-se visualmente como insolúvel em água. O AM também contém 98,6% de amido.

[057] O bagaço de cana-de-açúcar (BC) utilizado continha 39,3% de celulose, 25,3% de hemicelulose, 20,3% de lignina e 3,4% de cinzas.

[058] As etapas do processo foram:

[059] O pré-tratamento do amido foi realizado com mistura de AM com BC moído (aproximadamente 2 mm) em diferentes razões AM:BC (1:1, 1:0,5 e 1:0,25), cada mistura foi alimentada em uma extrusora de dois-parafusos co- rotativos (HAAKE PolyLab OS, Thermo Scientific, Alemanha). Onde o bagaço (BC) e amido (AM) também foram pré-tratados nas mesmas condições, isoladamente, sem misturas, e utilizados para comparação da eficiência do pré- tratamento da mistura de AM com BC.

[060] - A mistura contendo as biomassas tinha um teor de umidade de 10%. A extrusora tem um diâmetro da câmara interna do parafuso-duplo de 16 mm e Comprimento/Diâmetro (C/D) de 25. A configuração do parafuso foi definida por Moro et al. (2017), na qual utilizou-se de três (3) elementos diferentes; elementos de transporte direto, cisalhamento e transporte reverso. Onde em todos os pré-tratamentos, as biomassas passaram pela extrusora em cinco (5) ciclos para promover a mistura e garantir eficácia no pré-tratamento. A extrusão é realizada a 130 °C e 100 rpm.

[061] Para as misturas de biomassa (AM:BC), o torque foi mantido próximo a 40 Nm a uma velocidade média de alimentação de 0,4 g/min para os 5 ciclos. Velocidades de alimentação mais altas resultam em torque incontrolável e, eventualmente, a sobrecarga de torque pelo acúmulo do material no compartimento interno da extrusora, leva ao bloqueio da rotação dos parafusos. Porém, quando o AM foi pré-tratado, foi impossível elevar seu torque acima de 3 Nm, mesmo com uma velocidade de alimentação média de 0,8 g/min para os 5 ciclos. Isso pode ser devido à fina natureza do AM que permite sua fácil passagem pelos parafusos e, portanto, pelo barril. A velocidade média de alimentação para AM foi posteriormente aumentada para 1,5 g/min, a fim de atingir um torque mais alto próximo a 40 Nm. Um aumento adicional na velocidade de alimentação resultou no acúmulo de biomassa no compartimento interno da extrusora e no bloqueio da rotação dos parafusos.

[062] As biomassas extrudadas são então hidrolisadas enzimaticamente e o efeito do pré-tratamento avaliado pelo cálculo dos valores de rendimento de conversão de amido em glicose dos hidrolisados. A hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada é realizada utilizando um coquetel de enzimas preparado no Laboratório de Bioetanol do IQ-UFRJ, produzido a partir de Trichoderma reesei RUT-C30 e Aspergillus awamori 2B.361 U2/1 (PI0705744-0A2, Composição de enzimas, uso da composição na hidrólise enzimática de material lignocelulósico, processo de produção de enzimas que degradam a fração de polissacarídeos da biomassa, processo de produção de álcool utilizando a composição de enzima). Onde o coquetel é rico em amilases, além de outras enzimas, e apresenta uma atividade α-amilase de 180 UI/ml, e atividade amiloglucosidase de 115 UI/ml. A hidrólise enzimática do AM:BC pré- tratado na razão 1:1, 1:0,5 e 1:0,25 apresentou rendimentos de glicose de 53,7%, 65,1% e 71,5%, respectivamente, em 3 horas (Fig. 3). No entanto, a hidrólise de AM pré-tratado em baixo torque (AMP - baixo torque) e AM pré- tratado em alto torque (AMP - alto torque) apresentaram rendimentos de glicose de 22,0% e 57,3%, respectivamente (Fig. 3).

[063] A relação (1:0,25) de AM:BC pré-tratado apresentou hidrólise mais rápida nas primeiras 3 h (produtividade = 21,6 g/L/h) em comparação com o AM in natura (produtividade = 4,9 g/L/h) e AMP (baixo torque) (produtividade = 6,0 g/L/h), obtendo um aumento superior a 335% e 260% na produtividade da glicose respectivamente. Além disso, a relação (1:0,25) de AM:BC pré-tratado também apresentou hidrólise mais rápida nas primeiras 3 h em comparação com o AMP (alto torque) (produtividade = 15,7 g/L/h), com um aumento superior a 35% na produtividade de glicose.

[064] O pré-tratamento de AM:BC (1:0,25) foi otimizado variando a velocidade da extrusora (30 - 250 rpm) e temperatura (40 - 200°C), usando um planejamento de experimentos com base em Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) 22, com três pontos centrais para o cálculo do erro padrão (software STATISTICA, versão 8.0, StatSoft Inc., EUA). As condições ótimas previstas foram 132 rpm e 129 °C, com um rendimento previsto de glicose de 74,13%, em 3h. Os tratamentos foram realizados nas condições ótimas previstas (132 rpm e 129 0C) e o rendimento previsto foi validado.

[065] Em comparação com AM in natura, a extrusão de AM:BC (1:0,25) sob as condições otimizadas (132 rpm e 129 °C) melhorou o WAI e WSI do amido em 145% e 12.640%, respectivamente.

[066] O pré-tratamento de biomassa foi realizado em uma extrusora com diâmetro da câmara interna do parafuso-duplo de 16 mm e Comprimento/Diâmetro (C/D) de 25. A configuração do parafuso utilizada foi com três (3) elementos diferentes; elementos de condução para frente, mistura e condução reversa. O elemento de condução frente impulsiona a biomassa através do barril a partir do ponto de entrada para a saída, o elemento de mistura permite o amassamento e cisalhamento eficaz e exerce um efeito de cisalhamento sobre a biomassa, enquanto o elemento reverso move a biomassa para trás, aumentando assim o tempo de residência na última zona de mistura e melhorando o efeito de cisalhamento. Em todos os experimentos de pré-tratamento, as biomassas passaram pela extrusora em 5 ciclos para garantir uma mistura e pré-tratamento eficazes.

[067] O efeito do pré-tratamento foi avaliado utilizando-se os valores de rendimento da glicose do xarope de glicose, obtidos após hidrólise enzimática. A hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada foi realizada utilizando nosso coquetel de enzimas feito em laboratório, produzido a partir de Trichoderma reesei RUT-C30 e Aspergillus awamori 2B.361 U2/1 (PI0705744-0A2, Composição de enzimas, uso da composição na hidrólise enzimática de material lignocelulósico, processo de produção de enzimas que degradam a fração de polissacarídeos da biomassa, processo de produção de álcool utilizando a composição de enzima). O coquetel é rico em amilases entre outras enzimas, com uma atividade α-amilase de 180,0 UI/ml, e atividade amiloglucosidasede 115 UI/ml.

[068] Inicialmente, AM foi pré-tratado na extrusora de parafuso-duplo a 1300C e 100 rpm a uma velocidade média de alimentação de cerca de 0,8 g/min. No entanto, observou-se que o AMP tem um fluxo livre dentro do compartimento interno da extrusora nas condições vigentes, evidenciado pela baixa força de cisalhamento ou torque (3 Nm), e pelo curto tempo de residência no compartimento interno. Após hidrólise enzimática (3h), o AM pré-tratado resultou em 22% de rendimento em glicose, o que não apresentou melhora real em relação à AM in natura ou não tratada (17,2%) (Fig. 3). Após 24 h de hidrólise, tanto o AM (pré-tratado) quanto a AM in natura (não tratado) alcançaram 65,8% e 65,5% de rendimento de glicose, respectivamente. A fim de aumentar o torque do compartimento interno da extrusora, a velocidade média de alimentação foi aumentada para cerca de 1,5 g/min para os 5 ciclos. Isso reduziu o tempo médio de residência da biomassa, mas aumentou o torque do compartimento interno perto de 40 Nm. Um aumento adicional na velocidade de alimentação levou a um torque incontrolável e bloqueio do compartimento interno da extrusora. Após hidrólise enzimática (3h), o AM pré- tratado (alto torque) resultou em 57,3% de rendimento em glicose. Após 24 h de hidrólise, o rendimento de glicose dos AM pré-tratado (alto torque) aumentou para 65,9%. Não houve diferença entre os resultados da hidrólise de 24 h de AM in natura (não tratado) (65,8%), AM pré-tratado (baixo torque) (65,5%) e AM pré-tratado (alto torque) (65,9%) (Fig. 3).

[069] Posteriormente, o AM foi misturado com BC em diferentes proporções de AM:BC (1:1, 1:0.5, 1:0.25), e cada mistura foi alimentada no extrusora. O torque foi mantido próximo a 40 Nm a uma velocidade média de alimentação de 0,4 g/min para os 5 ciclos. Velocidades de alimentação mais altas resultaram em torque incontrolável, sobrecarga de torque e bloqueio do compartimento interno da extrusora. Neste caso, esta invenção mostra que a biomassa ficou retida no compartimento interno da extrusora, com um aumento correspondente no tempo médio de residência da biomassa para os 5 ciclos. Uma hidrólise enzimática subsequente apresentou um pico na produção de glicose em 3 hs, correspondendo a um rendimento de 53,7%, 65,1% e 71,5% para as relações AM:BC de 1:1, 1:0.5 e 1:0.25, respectivamente (Fig. 3). O aumento acentuado do rendimento da glicose pode ser explicado pelo aumento do tempo de residência do barril, e do torque, o que permitiu melhores efeitos térmicos e mecânicos de pré-tratamento, respectivamente.

[070] A invenção mostrou que a extrusão de AM:BC (1:0.25) apresentou um melhor efeito de pré-tratamento a 1300C e 100 rpm, considerando o resultado do rendimento de glicose após 3 horas de hidrólise enzimática.

[071] A relação (1:0,25) de AM:BC pré-tratado apresentou hidrólise mais rápida nas primeiras 3h (produtividade = 21,6 g/L/h) em comparação com o AM in natura (produtividade = 4,9 g/L/h) e AMP (baixo torque) (produtividade = 6,0 g/L/h), obtendo um aumento superior a 335% e 260% na produtividade da glicose, respectivamente. Além disso, a relação (1:0,25) de AM:BC pré-tratado também apresentou hidrólise mais rápida nas primeiras 3 h em comparação com o AMP (alto torque) (produtividade = 15,7 g/L/h), com um aumento superior a 35% na produtividade de glicose. No entanto, é importante notar que o rendimento de glicose após 24 h de hidrólise de AM in natura (não tratado) (65,8%), AMP (baixo torque) (65,5%), e AMP (alto torque) (65,9%) foram ainda menor do que o rendimento de 3 h da mistura do AM:BC (1:0,25) pré-tratado (71,5%) (Fig. 3), indicando que o tempo necessário para a hidrólise enzimática de AM pré-tratado, e a carga de enzimas utilizada podem ser reduzidos através desta invenção.

[072] Uma vez que o coquetel de enzimas usado para hidrolisar a mistura de biomassa também contém celulases, que pode hidrolisar BC, foi determinado a quantidade mínima de glicose proveniente apenas do AM na mistura pré- tratada do AM:BC (1:0,25), assumindo 100% hidrólise da celulose do BC à glicose, e subtraindo esse valor da concentração total de glicose (da mistura de biomassa hidrolisada) antes de calcular o rendimento. Portanto, apresentou um rendimento mínimo em 3 h de glicose de 68,6% contribuído apenas ao AM na mistura AM:BC (1:0,25), rendimento está próximo ao rendimento total de glicose em 3 h (71,5%), confirmando a principal função do BC nesta invenção no melhoramento do pré-tratamento do AM, agindo apenas como um aditivo.

[073] A relação AM:BC (1:0,25) foi ainda mais otimizado variando a velocidade dos parafusos da extrusora (30 - 250 rpm) e temperatura do compartimento interno (40 - 200 0C), usando um delineamento central composto rotacional (DCCR) 22, com três pontos centrais para o cálculo do erro padrão (software STATISTICA, versão 8.0, StatSoft Inc., EUA). As condições ideais previstas foram de 132 rpm e 129 0C com rendimento previsto em glicose, em 3 h, de 74,1%. Os experimentos foram realizados sob esta condição ideal prevista, e o rendimento previsto foi validado.

[074] A melhora no pré-tratamento foi confirmada ainda pela análise das propriedades de absorção e solubilidade (WAI e WSI) da biomassa pré-tratada sob as condições de extrusão ideal: AM:BC (1:0,25),132 rpm e 1290C. Essas propriedades medem a degradação dos componentes moleculares e o grau de conversão de amido em componentes solúveis após a extrusão (Yang et al. 2008, Journal of food engineering, 84(3), 489; Neder-Suárez et al., 2016, Molecules, 21(8), 1064; Ali et al., 2019, Plant foods for human nutrition, 74(4), 474; Ali et al., 2020, Journal of food processing and preservation, e14531), que estão implicados na facilidade da ação enzimática durante a hidrólise enzimática. O AM:BC pré-tratado (1:0,25) apresentou uma WAI de 5,4 g/g, representando um aumento de 145% em relação ao AM in natura (não tratado) (2,2 g/g). De modo análogo, o AM:BC pré-tratado (1:0,25) apresentou um WSI de 29,31%, 12.640% maior que o da AM in natura (não tratado) (0,23%). Essa invenção também mostrou que a adição do pré-tratamento por extrusão da BC ao AM poderia melhorar as capacidades de absorção e solubilidade da água de AM em 145% e 12.640%, respectivamente.

[075] Nesta invenção, o amido foi pré-tratado por extrusão seca (umidade do compartimento interno = 10%), o que não permitiu a gelatinização do amido. Como o amido utilizado era um pó fino que podia passar pelo compartimento interno da extrusora livremente, tentamos aumentar o torque do compartimento interno da extrusora para melhor pré-tratamento mecânico, misturando o amido com uma pequena quantidade de bagaço, que é um material grosseiro. Isso aumentou o torque da extrusora (para um melhor efeito de pré-tratamento mecânico), e o tempo de residência (para um melhor efeito de pré-tratamento térmico) do amido dentro do compartimento interno. Com esta invenção, resultou em um material pré-tratado, apresentando como característica um pó fino, seco e sem gelatinização, podendo ser facilmente armazenado para uso posterior. Portanto, a invenção não apresenta o risco de retrocesso e, portanto, não há necessidade de liquefação enzimática e ajuste de pH durante o processo de extrusão.

PRINCÍPIO DE PRÉ-TRATAMENTO

[076] O amido utilizado nesta invenção era um pó fino que podia passar livremente pelo compartimento interno da extrusora, com menos torque e curto tempo de residência. Para o AM pré-tratado em uma velocidade de alimentação muito alta, o torque aumentou e deu um bom efeito de pré- tratamento mecânico. No entanto, uma vez que um aumento da velocidade de alimentação corresponde a um menor tempo médio de residência da biomassa dentro do compartimento interno do extrusora, o efeito térmico na biomassa foi reduzido. A mistura do amido com uma pequena quantidade de bagaço (um material fibroso) aumentou o torque do compartimento interno da extrusora, melhorando assim o efeito do pré-tratamento mecânico e aumentou o tempo de residência do amido dentro do compartimento interno da extrusora, permitindo mais tempo para o efeito de pré-tratamento térmico. A baixa velocidade de alimentação corresponde a um maior tempo médio de residência da biomassa dentro da extrusora, o que também contribui para o efeito térmico. A combinação dos efeitos mecânicos e térmicos aumentados dentro da extrusora melhorou o pré-tratamento do amido e reduziu o tempo de sacarificação enzimática da biomassa pré-tratada e a carga de enzimas necessária ao processo.

VANTAGENS

[077] A tecnologia de extrusão a seco (mistura AM:BC) usada nesta invenção não causou gelatinização do amido e, portanto, nenhum fenômeno de retrogradação e nenhuma dificuldade de manuseio foi observada. Portanto, não há necessidade de liquefação enzimática e ajuste de pH durante o processo de extrusão. O material pré-tratado que se apresenta na forma de um pó fino e seco pode ser facilmente armazenado para uso posterior. Além disso, esta tecnologia melhorou o WAI e WSI da biomassa de amido in natura ou bruto em 145% e 12.640%, respectivamente, melhorando assim o acesso da enzima à biomassa durante a sacarificação. Isso resultou em um aumento na produtividade de glicose de 3 h em cerca de 335% e uma redução no tempo necessário para atingir 70% de sacarificação em pelo menos 87,5%. Portanto, com esta invenção, o tempo necessário para a sacarificação enzimática do amido, e a carga de enzima utilizada pode ser significativamente reduzido, que pode reduzir o custo total de todo o processo, trazendo benefícios econômicos.

[078] Desta forma, pelas características de configuração e funcionamento e as vantagens obtidas conforme descritas acima, pode-se notar claramente que a PROCESSO DE PRÉ-TRATAMENTO DE EXTRUSÃO SECA DO AMIDO AUXILIADO POR BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA, trata-se de um processo novo e vantajoso para o Estado da Técnica o qual reveste-se de condições de inovação, atividade inventiva e industrialização inéditas, que o fazem merecer o Privilégio de Patente de Invenção.

Claims (6)

1 - PROCESSO DE PRÉ-TRATAMENTO DE EXTRUSÃO SECA DO AMIDO AUXILIADO POR BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA, caracterizado por um processo de pré-tratamento de extrusão seca do amido insolúvel auxiliado por biomassa lignocelulósica compreendendo as etapas de: (a) pré-tratamento físico e contínuo do amido insolúvel misturado com a biomassa lignocelulósica em uma extrusora de dupla-rosca; (b) hidrólise enzimática do amido pré-tratado; e (c), separação do xarope de glicose do sólido residual não hidrolisado, sendo que o amido insolúvel apresenta índice de absorção de água (WAI) de 0 a 4 g/g, e índice de solubilidade da água (WSI) de 0 a 8%, apresentando-se visualmente como insolúvel em água, em que o amido insolúvel e a fonte de biomassa lignocelulósica são misturadas em razões de 1:1 a 1:0,25, em que a mistura do amido insolúvel e a fonte de biomassa lignocelulósica contém teor de umidade de 10% a 15%, em que a etapa (a) ocorre de forma contínua em uma extrusora dupla-rosca, com controlador de temperatura e rotação dos parafusos, em que a biomassa amilácea misturada com a biomassa lignocelulósica é pré- tratadas e enviada à etapa (b), realizando 3 a 10 ciclos de extrusão, com velocidade de rotação dos parafusos da extrusora de 30 - 250 rpm e temperatura da câmera de extrusão de 40 - 200 °C.

2 - PROCESSO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela fonte de amido insolúvel ser qualquer matéria-prima apta a receber o pré-tratamento.

3 - PROCESSO de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelas fontes de amido insolúvel serem pertencentes ao grupo consistido por mandioca, batata, milho, trigo, arroz, inhame ou uma mistura destes.

4 - PROCESSO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela fonte de biomassa lignocelulósica pode ser oriunda de resíduos agrícolas como bagaços de cana-de-açúcar; palha de soja, milho, arroz e cana-de-açúcar; sabugos como o do milho e mileto; subprodutos do processamento de madeiras como a serragem e folhas ou uma mistura destes.

5 - PROCESSO de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pela composição química da biomassa lignocelulósica, compreende 32-50% de celulose, 19-26% de hemicelulose, 20-32% de lignina e 2-6% de cinzas encontrada no bagaço de cana-de-açúcar (BC).

6 - PROCESSO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos parafusos da extrusora serem montados com sessões de transporte de biomassa, com os elementos condutores ou transportadores, intercaladas a sessões de mistura e cisalhamento da biomassa, com elementos de mistura, contendo ainda elemento de condução reversa.

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