BR112014031038B1 - Métodos para produzir um líquido de açúcar e para produzir uma substância química - Google Patents
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Abstract
MÉTODOS PARA PRODUZIR UM LÍQUIDO DE AÇÚCAR E PARA PRODUZIR UMA SUBSTÂNCIA QUÍMICA. Trata-se de um método para produzir um líquido de açúcar a partir de biomassa contendo celulose, sendo que o método compreende as seguintes etapas (1) a (4): etapa (1): a etapa de submeter uma biomassa contendo celulose a um tratamento com ácido sulfúrico diluído e depois separar a biomassa tratada contendo celulose em um liquido tratado com ácido sulfúrico diluído e um teor de sólido contendo celulose; etapa (2): a etapa de adicionar uma celulase ao teor de sólido contendo celulose para hidrolisar a celulose e depois obter um líquido de açúcar; etapa (3): a etapa de filtrar o liquido tratado com ácido sulfúrico diluído através de uma membrana de nanofiltração a pH 2,5 ou menor para através disso separar um líquido concentrado com açúcar como um retentado e, ao mesmo tempo, recuperar uma solução aquosa de ácido sulfúrico como um permeado; e etapa (4): a etapa de reutilizar a quantidade total ou uma parte da solução aquosa de ácido sulfúrico obtida na etapa (3) no tratamento com ácido sulfúrico diluído na etapa (1).
Description
[001] A presente invenção refere-se a um método para produção de um líquido de açúcar que compreende a etapa de recuperação de ácido sulfúrico pelo uso de uma membrana de separação para reutilizar o ácido sulfúrico na produção do líquido de açúcar a partir de biomassa contendo celulose.
[002] O processo para produção por fermentação de substâncias químicas com o uso de açúcares como matérias primas é usado para a produção de várias matérias primas industriais. Atualmente, como esses açúcares a serem usados como matérias primas de fermentação, aqueles derivados de materiais alimentícios como cana de açúcar e beterraba sacarina são usados industrialmente. Entretanto, tendo em vista que um aumento nos preços de matérias primas alimentícias é esperado devido ao aumento futuro na população mundial ou em um ponto de vista ético do fato de que açúcares como materiais industriais podem competir com açúcares para alimento, tem sido um problema futuro construir um processo para produzir de forma eficaz um líquido de açúcar de um recurso não alimentício renovável, isto é, biomassa contendo celulose ou um processo para uso do líquido de açúcar obtido como uma matéria-prima de fermentação para, assim, converter de forma eficaz o líquido de açúcar obtido em uma matéria-prima industrial.
[003] Uma biomassa contendo celulose composta principalmente de lignina, a qual é um produto polimérico com base em aromático e celulose ou hemicelulose, os quais são produtos poliméricos de monossacarídeos. Como um exemplo representativo do processo para produção de um líquido de açúcar a partir de uma biomassa contendo celulose, existe um tratamento por ácido no qual a biomassa contendo celulose é tratada com ácido sulfúrico diluído. Esse tratamento é uma técnica em que uma fração de celulose é separada de um líquido tratado por ácido sulfúrico diluído que contém xilose que é uma pentose e a fração de celulose é submetida adicionalmente a um tratamento enzimático para obter glicose que é uma hexose (Documento Não Patente 1). O mesmo tem sido avançado para escalonamento e é dito ser um método próximo ao uso prático. Entretanto, a separação de xilose de ácido sulfúrico é necessária para o uso da xilose obtida pelo método de tratamento por ácido sulfúrico diluído como uma matéria-prima de fermentação. Nesse caso, o ácido sulfúrico é precipitado em uma forma de sulfato de cálcio e, portanto, o custo por material residual e o custo envolvido na carga ambiental se tornam indispensáveis, o que deixa a redução de custo como um problema (Documentos Não Patente 2 e 3).
[004] Para tal problema de redução do custo para tratamento por ácido sulfúrico, o qual é um fator de custo, os exemplos incluem a recuperação de ácido sulfúrico. Em relação à recuperação de ácido sulfúrico, é revelado, por exemplo, um método para recuperação de ácido sulfúrico de sulfato por eletrodiálise com o uso de uma membrana bipolar e de uma membrana de troca de cátion (Documento de Patente 1) e de um método para empregar uma membrana seletiva de ânion e drenagem de sulfeto de hidrogênio (Documento de Patente 2).
[005] Documento de Patente 1: Publicação Aberta à Inspeção Pública de Pedido de Patente Japonês no. 5-58601
[006] Documento de Patente 2: Tradução Japonesa da Publicação do Pedido Internacional PCT no. 2008-529946
[007] Documento Não Patente 1: A. Aden et al. "Lignocellulosic Biomass to Ethanol Process Design and Economics Utilizing Co-Current Dilute Acid Prehydrolysis and Enzymatic Hydrolysis for Corn Stover" NREL Technical Report (2002)
[008] Documento Não Patente 2: Journal of Japan Society of Energy and Resources, Vol. 30, no. 5
[009] Documento Não Patente 3: AIST TODAY, edição de julho, 2009.
[010] Em casos onde um ácido sulfúrico é recuperado de um líquido tratado por ácido sulfúrico diluído que contém biomassa contendo celulose de acordo com técnicas convencionais, têm ocorrido problemas em que o custo de eletricidade e gastos para membranas consumidas são altos; e, adicionalmente, a eficácia da recuperação de ácido sulfúrico é ruim quando a concentração de ácido sulfúrico é baixa. Portanto, um objetivo da presente invenção é recuperar de forma eficaz um ácido sulfúrico em um processo de produção de líquido de açúcar por um tratamento por ácido sulfúrico diluído de biomassa contendo celulose.
[011] Para solucionar os problemas acima, o presente inventor estudou intensamente para perceber que, pela filtragem de um líquido tratado por ácido sulfúrico diluído obtido por um tratamento por ácido sulfúrico diluído de biomassa contendo celulose através de uma membrana de nanofiltração, o ácido sulfúrico a ser usado no tratamento por ácido sulfúrico diluído pode ser recuperado de forma eficaz.
[012] Isto é, a presente invenção é composta dos seguintes [1] a [5]. [1] Um método para produção de um líquido de açúcar a partir de biomassa contendo celulose, sendo que o método compreende as seguintes etapas (1) a (4): - etapa (1): a etapa de submeter uma biomassa contendo celulose a um tratamento por ácido sulfúrico diluído e, depois, separar a biomassa contendo celulose tratada em um líquido tratado por ácido sulfúrico diluído e um teor sólido contendo celulose; - etapa (2): a etapa de adicionar uma celulase ao teor sólido contendo celulose para hidrolisar a celulose e, depois, obter um líquido de açúcar; - etapa (3): a etapa de filtrar o líquido tratado por ácido sulfúrico diluído através de uma membrana de nanofiltração em 2,5 de pH ou menos para separar assim um líquido concentrado de açúcar como um retentado e recuperar uma solução aquosa de ácido sulfúrico como um permeado; e - etapa (4): a etapa de reutilizar a quantidade inteira ou uma parte da solução aquosa de ácido sulfúrico obtida na etapa (3) no tratamento por ácido sulfúrico diluído na etapa (1). [2] O método para produção de um líquido de açúcar de acordo com [1] que compreende a etapa de filtrar a solução aquosa de ácido sulfúrico obtida na etapa (3) através de uma membrana de osmose reversa para concentrar, assim, ácido sulfúrico como um retentado. [3] O método para produção de um líquido de açúcar de acordo com [1] ou [2] em que a membrana de nanofiltração na etapa (3) tem um corte de peso molecular de 300 ou menos. [4] O método para produção de um líquido de açúcar de acordo com qualquer um dentre [1] a [3] em que a solução aquosa de ácido sulfúrico compreende um tipo ou dois ou mais tipos de compostos selecionados a partir do grupo que consiste em um ácido orgânico, um composto com base em furano e um composto aromático. [5] Um método para produção de uma substância química que compreende a etapa de produzir um líquido de açúcar obtido pelo método para produção do líquido de açúcar de acordo com qualquer um dentre [1] a [4] e a etapa de cultivar um microrganismo capaz de produzir uma substância química com o uso do tal líquido de açúcar obtido como uma matéria-prima de fermentação.
[013] De acordo com a presente invenção, o ácido sulfúrico pode ser recuperado do líquido tratado por ácido sulfúrico diluído que contém biomassa contendo celulose; e o ácido sulfúrico recuperado é reutilizado em um tratamento por ácido sulfúrico diluído de biomassa contendo celulose; e um efeito de sacarificação maior pode ser surpreendentemente obtido quando um ácido sulfúrico recuperado pela presente invenção é reutilizado no tratamento por ácido sulfúrico diluído da biomassa contendo celulose em comparação àquele de um tratamento por ácido sulfúrico diluído comum.
[014] A presente invenção será descrita em maiores detalhes abaixo.
[015] Exemplos da biomassa contendo celulose para uso no método para produção de um líquido de açúcar de acordo com a presente invenção incluem biomassa herbácea como bagaço, painço amarelo, restos culturais de milho, espiga de milho, palha de arroz ou palha de trigo; e biomassa com base em madeira como árvores ou material de construção residual. Essa biomassa contendo celulose contém celulose ou hemicelulose que é um polissacarídeo formado pela condensação por desidratação de açúcares; e tal polissacarídeo pode ser hidrolisado para produzir um líquido de sacarificação que é útil como uma matéria-prima de fermentação.
[016] O líquido de açúcar de acordo com a presente invenção se refere a um líquido de sacarificação obtido pela hidrolisação de biomassa contendo celulose. Em geral, os açúcares são classificados de acordo com o grau de polimerização de monossacarídeos; e classificados em monossacarídeos como glicose ou xilose, oligossacarídeo formados pela condensação por desidratação de dois a nove monossacarídeos e adicionalmente polissacarídeos formados pela condensação por desidratação de 10 ou mais monossacarídeos. O líquido de açúcar de acordo com a presente invenção refere-se a um líquido de açúcar que contém monossacarídeos como um componente principal; e contém especificamente glicose ou xilose como um componente principal. Além disso, o líquido de açúcar contém oligossacarídeos como celobiose e monossacarídeo como arabinose ou manose, mas em uma pequena quantidade. Aqui, a expressão “monossacarídeos como um componente principal” significa que os monossacarídeos contabilizam por 80% em peso ou mais no peso total de sacarídeos, ou seja, monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos que são dissolvidos em água. Já para um método concreto de análise de monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos que são dissolvidos em água, a quantificação é possível por HPLC pela comparação a uma preparação. Já por condições de HPLC específicas, nenhuma solução de reação é usada; Luna NH2 (fabricada pela Phenomenex) é usada como uma coluna; a fase móvel tem uma razão de água ultrapura:acetonitrila = 25:75; a vazão é 0,6 ml/min; o tempo de medição é 45 min; o método de detecção é RI (índice de refração diferencial); e a temperatura é 30 °C.
[017] Primeiramente, as etapas do método para produção de um líquido de açúcar de acordo com a presente invenção serão descritas em detalhes para cada etapa.
[018] Mediante um tratamento por ácido sulfúrico diluído de biomassa contendo celulose, a biomassa contendo celulose pode ser submetida, tal qual, ao tratamento por ácido sulfúrico diluído; mas o tratamento por ácido sulfúrico diluído pode ser realizado de forma eficaz pela realização de um pré- tratamento conhecido como trituração, jateamento ou água quente antes do tratamento por ácido sulfúrico diluído e, quando uma fração de celulose é submetida a um tratamento enzimático com celulase, a eficácia de uma reação de hidrólise pela celulase melhora pelo pré-tratamento. Do pré- tratamento, um tratamento hidrotérmico é um pré-tratamento de eluição de uma parte dos componentes de biomassa que contêm celulose para degradação mais fácil pela ebulição com água quente de 50 °C ou mais e 200 °C ou menos; e o tratamento hidrotérmico pode remover íons inorgânicos derivados da biomassa contendo celulose e é, assim, empregado preferencialmente.
[019] A hidrólise da biomassa contendo celulose pelo tratamento por ácido sulfúrico diluído tem características de que o componente hemicelulose do mesmo, o qual é, de modo geral, baixo em cristalizabilidade, é hidrolisado primeiro e, então, o componente celulose do mesmo, o qual é alto em cristalizabilidade, é quebrado. Portanto, na hidrólise pelo tratamento por ácido sulfúrico diluído, um líquido que contém uma quantidade maior de xilose derivada da hemicelulose pode ser obtido.
[020] A concentração de ácido sulfúrico diluído no momento do tratamento por ácido sulfúrico diluído não é particularmente restrita; e é 0,01 a 20% em peso e, preferencialmente, 0,1 a 10% em peso. A temperatura de reação do tratamento por ácido sulfúrico diluído é definida para uma faixa de 100 a 300 °C e, preferencialmente, 120 a 250 °C; e o tempo de reação do mesmo é definido para uma faixa de um segundo a 60 minutos. O número de vezes em que o tratamento por ácido sulfúrico diluído é realizado não é particularmente restrito; e o tratamento precisa ser executado somente uma ou duas vezes ou mais. Adicionalmente, em casos onde o tratamento por ácido sulfúrico diluído é realizado duas vezes ou mais, o segundo tratamento hidrotérmico ou um posterior pode ser realizado em uma definição de condição diferente daquela do primeiro tratamento.
[021] O líquido tratado por ácido sulfúrico diluído obtido pelo tratamento por ácido sulfúrico diluído da biomassa contendo celulose é um componente líquido obtido pela separação de um líquido em uma forma de pasta aquosa após o tratamento por ácido sulfúrico diluído de biomassa contendo celulose em que o líquido em uma forma de pasta aquosa é separado no componente líquido e em um teor sólido contendo celulose; e o líquido tratado por ácido sulfúrico diluído é um líquido que contém xilose derivada de hemicelulose como um componente principal. Deve ser observado que, em casos onde o tratamento por ácido sulfúrico diluído é realizado duas vezes ou mais, o componente líquido só precisa ser recuperado do produto tratado obtido ao submeter repetidamente o teor sólido contendo celulose ao tratamento por ácido sulfúrico diluído. Adicionalmente, o líquido tratado por ácido sulfúrico diluído contém ácidos orgânicos, compostos com base em furano e compostos aromáticos produzidos como subprodutos ao longo da hidrólise da biomassa contendo celulose. A razão entre xilose e glicose que são contidas no líquido tratado por ácido sulfúrico diluído não é particularmente restrita devido, conforme mencionado acima, a variar nas condições de tratamento que incluem calor e pressão, assim como período de tempo para o tratamento.
[022] O teor sólido contendo celulose obtida pelo tratamento por ácido sulfúrico diluído da biomassa contendo celulose é um teor sólido obtido pela separação de um líquido em uma forma de pasta aquosa após o tratamento por ácido sulfúrico diluído de biomassa contendo celulose em que o líquido em uma forma de pasta aquosa é separado em um componente líquido e o teor sólido; e o teor sólido contendo celulose tem celulose como um componente principal e contém uma parte da base em furano e compostos aromáticos que são gerados como subprodutos ao longo da hidrólise da biomassa contendo celulose. Para uso como uma matéria-prima de fermentação, o teor sólido contendo celulose é hidrolisado por celulase que é uma enzima para produzir um líquido de açúcar. A celulose hidrolisada por celulase que é uma enzima ou similar é quebrada em monossacarídeos ou oligossacarídeos como glicose ou oligossacarídeos. Os açúcares obtidos assim são usados como matérias primas de fermentação. Deve ser observado que uma parte do teor sólido contendo celulose pode ser usada, como celulose, como uma matéria-prima industrial como polpa de papel ou auxiliares de filtro.
[023] A celulase mencionada acima só precisa ser uma enzima que tem uma atividade de degradação de celulose e hemicelulose; e, além de uma celulase geral que quebra celulose, hemicelulase e xilanase que quebra hemicelulose são incluídas. Preferencialmente, é preferencial que seja uma celulase que compreende uma celulase do tipo exo ou uma celulase do tipo endo que tem uma atividade de degradação de uma celulose cristalina. Como tal celulase, é adequada uma celulase produzida por fungos filamentosos que incluem o gênero de bactéria Trichoderma e o gênero Acremonium. O gênero Trichoderma e o gênero Acremonium são microrganismos classificados como fungos filamentosos e são microrganismos que secretam extracelularmente uma grande quantidade de vários tipos de celulases. A celulase a ser usada na presente invenção é, preferencialmente, uma celulase do gênero Trichoderma. Adicionalmente, como uma enzima para ser usada na hidrólise, para o propósito de melhorar a eficácia de geração de glicose, a β glucosidase, que é uma enzima que degrada celobiose que é oligossacarídeo, pode ser adicionada ou pode ser usada na hidrólise em conjunto com a celulase acima. A β glucosidase não é particularmente restrita e é preferencialmente derivada de Aspergillus. A mesma pode ser produzida por microrganismos como o gênero Trichoderma ou o gênero Acremonium por recombinação gênica. Uma reação de hidrólise com o uso de tal enzima é realizada preferencialmente em um pH ao redor de 3 a 7 e, mais preferencialmente, em um pH ao redor de 5. A temperatura de reação é preferencialmente 40 a 70 °C.
[024] Na etapa (3), açúcares (o lado de alimentação da membrana) e ácido sulfúrico (o lado de permeado da membrana) são separados pela membrana de nanofiltração. A solução aquosa de ácido sulfúrico que é um permeado da membrana de nanofiltração também contém ácidos orgânicos, compostos com base em furano e compostos aromáticos que são gerados concomitantemente no tratamento por ácido conforme os mesmos passam através da membrana. Por outro lado, pela passagem do ácido sulfúrico, de ácidos orgânicos, de compostos com base em furano e de compostos aromáticos pela membrana de nanofiltração, uma razão dos mesmos no líquido concentrado de açúcar recuperado do lado de alimentação da membrana de nanofiltração diminui, levando ao líquido concentrado de açúcar ter uma maior qualidade como uma matéria-prima de fermentação. Adicionalmente, embora seja detalhado na etapa (4), a reutilização da solução aquosa de ácido sulfúrico separada e recuperada na etapa (1) possiblidade que a quantidade de ácido sulfúrico usada seja reduzida e, além disso, possibilita a melhora na eficácia de hidrólise de biomassa contendo celulose.
[025] A membrana de nanofiltração para uso na presente invenção é uma membrana que também é denominada como um nanofiltro (membrana de nanofiltração, membrana NF) e é, em geral, definida como uma "membrana que permeia íons monovalentes enquanto bloqueia íons divalentes". Acredita-se que a membrana tem aberturas microscópicas de cerca de vários nanômetros e é usada, principalmente, para bloquear partículas ou moléculas finas, íons, sais ou similares na água.
[026] Já como materiais da membrana de nanofiltração para uso na presente invenção, materiais poliméricos como polímeros com base em acetato de celulose, poliamida, poliéster, poliimida ou polímero de vinila; ou cerâmicos podem ser usados; e a membrana não é limitada a ser uma membrana composta de um tipo do material mencionado acima ou pode ser uma membrana que compreende uma pluralidade de materiais de membrana. Adicionalmente, em relação à estrutura da membrana, a membrana pode ser ou uma membrana assimétrica que tem uma camada densa em pelo menos um lado e microporos que têm tamanhos de poro que aumentam gradualmente na direção da camada densa em direção ao interior da membrana ou do outro lado da membrana ou uma membrana composta que tem uma camada funcional muito fina formada por outro material na camada densa de uma membrana assimétrica. Como a membrana composta, uma membrana composta descrita na Publicação aberta à Inspeção Pública de Pedido de Patente Japonês no. 62201606 pode, por exemplo, ser usada, na qual a membrana composta tem um nanofiltro composto de uma camada funcional de poliimida em uma membrana de suporte que compreende polissulfona como um material de membrana.
[027] Pela filtragem do líquido tratado por ácido sulfúrico diluído mencionado acima pela membrana de nanofiltração em uma condição de pH de 2,5 ou menos se torna possível separar em açúcares no lado de alimentação da membrana e ácido sulfúrico no lado de permeado. Enquanto os açúcares são bloqueados pelo uso da membrana de nanofiltração e de uma membrana de osmose reversa, os açúcares não são bloqueados por, por exemplo, uma membrana de ultrafiltração que tem o diâmetro de poro maior que àquele da membrana de nanofiltração e não são concentrados. Adicionalmente, o uso da membrana de osmose reversa não permite que ácido sulfúrico seja separado lado de permeado da membrana uma vez que o ácido sulfúrico é concentrado no lado de alimentação com o açúcar. Adicionalmente, isso é devido a, se o pH no momento da filtração com a membrana de nanofiltração for maior que 2,5, o ácido sulfúrico não é separado no lado de permeado mesmo quando a membrana de nanofiltração é usada. Em casos onde a membrana de osmose reversa é usada, mesmo se o pH for definido para 2,5 ou menor, açúcares e ácido sulfúrico não podem ser separados devido ao ácido sulfúrico não passar pela membrana. Adicionalmente, embora as razões sejam desconhecidas, quanto menor o valor de pH, menor se torna a permeação de açúcares e a concentração se torna mais eficaz, o que leva a uma maior eficácia da separação entre o açúcar e o ácido sulfúrico.
[028] Exemplos concretos de módulos de membrana de nanofiltração incluem HS5205A e CM10 fabricadas pela Toyobo Co., Ltd.; NTR- 729HF, NTR-7250, NTR-7450, e NTR-7410 que são fabricadas pela Nitto Denko Corporation; SU610, SU-620, SU-210 e SU-220 que são fabricadas pela Toray Industries, Inc.; NF-270, NF-200, NF-90, NF-70, NF-45 e NF que são fabricadas pela Filmtec; DK series, DL series, HL series e HWS NF series que são fabricadas pela DESAL; TS-80 fabricada pela TRISEP, MPS-34, MPT-34, MPS- 44, MPS-36 e MPT-44 que são fabricadas pela KOCH; e NF97, NF99 e NF99HF que são fabricadas pela Alfa Laval.
[029] Um modo da membrana de nanofiltração não é particularmente restrito. Exemplos do mesmo incluem um tipo em espiral, um tipo tubular e um tipo em fibra oca; e o tipo em espiral é usado preferencialmente do ponto de vista de um preço unitário por módulo.
[030] Na filtração pela membrana de nanofiltração, pode ser aplicada pressão; e a pressão de filtração é preferencialmente em uma faixa de 0,1 a 8 MPa. Se a pressão de filtração for menor que 0,1 MPa, a velocidade de permeação da membrana diminui; e se a pressão de filtração for maior que 8 MPa, possivelmente causará danos à membrana. Adicionalmente, se a pressão de filtração está em uma faixa de 0,5 a 7 MPa, uma solução de açúcar pode permear de modo eficaz devido a um alto fluxo de permeação da membrana.
[031] O corte de peso molecular da membrana de nanofiltração preferencialmente é 300 ou menos; e se estiver dentro dessa faixa, se torna possível separar de forma mais eficaz açúcares do ácido sulfúrico.
[032] O pH do líquido tratado por ácido sulfúrico diluído no momento da filtração pela membrana de nanofiltração na etapa (3) precisa ser 2,5 ou menor do ponto de vista da habilidade do íon de sulfato em passar pela membrana de nanofiltração e, preferencialmente, 2,0 ou menos, no qual a habilidade do íon de sulfato em passar pela membrana de nanofiltração melhora. O limite inferior do pH do líquido tratado por ácido sulfúrico diluído não é particularmente limitado; e o limite inferior é preferencialmente um pH de 0,5 ou maior e, mais preferencialmente, um pH de 1,0 ou maior. Se o pH do líquido tratado por ácido sulfúrico diluído obtido na etapa (1) for 2,5 ou menor, o líquido pode ser, tal qual, submetido a um tratamento por membrana de nanofiltração. Adicionalmente, se o pH do líquido tratado por ácido sulfúrico diluído exceder 2,5, o pH pode ser ajustado conforme apropriado pela adição de um ácido ou álcali para ser 2,5 ou menor. O ácido a ser usado não é particularmente limitado; e exemplos do mesmo incluem ácidos orgânicos como ácido sulfúrico, ácido clorídrico, ácido nítrico, ácido fórmico e ácido acético. Adicionalmente, o álcali a ser usado também não é particularmente limitado; e exemplos preferenciais do mesmo incluem amônia, hidróxido de sódio e hidróxido de potássio, os quais são reagentes alcalinos monovalentes.
[033] Se sais alcalinos divalentes são contidos em um líquido tratado por ácido sulfúrico diluído a ser submetido à membrana de nanofiltração, o sal não passa pela membrana de nanofiltração e deposita no líquido no processo de concentração do líquido, o que pode causar a obstrução da membrana. Adicionalmente, se o depósito ocorrer ao mesmo tempo em que a neutralização, um ácido correspondente a uma quantidade do ácido que é depositado não pode ser recuperado. Portanto, em casos onde reagentes alcalinos têm uma valência de dois ou mais, é necessário diminuir a quantidade de ácido ou álcali de forma que o depósito de sal não ocorra durante a etapa (3) ou ter um sistema de remoção do depósito na etapa (3). Em casos onde um álcali tendo uma valência de dois ou mais é usado, um hidróxido de cálcio é preferencial em um aspecto do custo.
[034] Adicionalmente, é preferencial remover componentes iônicos inorgânicos do líquido tratado por ácido sulfúrico diluído a ser submetido à membrana de nanofiltração. Isso é devido à remoção do componente iônico inorgânico do líquido tratado por ácido sulfúrico diluído melhorar a habilidade do ácido sulfúrico em passar pela membrana de nanofiltração. Um método de remoção do componente iônico inorgânico precisa ser realizado somente na etapa anterior à etapa (3) de submeter o líquido tratado por ácido sulfúrico diluído à membrana de nanofiltração; e exemplos do mesmo incluem um método de submeter o líquido a uma resina de permutação de íon e um método de submeter o líquido a um tratamento hidrotérmico como um pré-tratamento da etapa (1). É preferencial o método de submeter o líquido a um tratamento hidrotérmico antes da etapa (1). Isso é devido a esse método ser mais obtenível a um baixo custo e uma taxa de concentração da concentração de membrana do líquido pode melhorar quando um teor sólido que é o teor sólido contendo celulose obtido na etapa (1) é submetido à sacarificação.
[035] Após o líquido tratado por ácido sulfúrico diluído ser filtrado pela membrana de microfiltração e/ou pela membrana de ultrafiltração, o líquido tratado por ácido sulfúrico diluído é preferencialmente submetido à membrana de nanofiltração. Isso é devido à realização do tratamento por filtração com a membrana de microfiltração e/ou com a membrana de ultrafiltração antes de submeter o líquido à membrana de nanofiltração, a propriedade de obstrução da membrana de nanofiltração melhora pelas partículas finas no líquido tratado por ácido sulfúrico diluído. Adicionalmente, quando o pH do líquido tratado por ácido sulfúrico diluído é ajustado com um ácido ou álcali, é particularmente preferencial realizar o tratamento por filtração pela membrana de microfiltração e/ou pela membrana de ultrafiltração mencionadas acima após o ajuste de pH.
[036] A membrana de microfiltração, quando usada no presente documento, se refere a uma membrana com um diâmetro de poro fino médio de 0,01 μm a 5 mm e é abreviada como microfiltração, uma membrana MF ou similares. Além disso, membranas de ultrafiltração, quando usadas no presente documento, são uma membrana com um corte de peso molecular de cerca de 1.000 a 200.000 e é abreviada como ultrafiltração, uma membrana UF ou similares. Aqui, o diâmetro de poro da membrana de ultrafiltração é tão pequeno que é difícil medir o diâmetro de poro fino na superfície da membrana por um microscópio eletrônico ou similares; e um valor denominado como um corte de peso molecular, ao invés do diâmetro de poro fino médio, foi usado como um índice para o tamanho do diâmetro de poro. O corte de peso molecular se refere a um que é bem conhecido pelos versados na técnica como um índice que representa o desempenho de membrana da membrana de ultrafiltração, já que é descrito que "uma curva obtida por dados de plotagem com o peso molecular do soluto ao longo do eixo geométrico horizontal e a taxa de bloqueio ao longo do eixo geométrico vertical é denominada uma curva de corte de peso molecular; e o peso molecular no qual a taxa de bloqueio é 90% é denominado como o corte de peso molecular da membrana". Na Membrane Society of Japan ed., Membrane Experiment Series, Vol. III, Artificial Membrane, editado por Shoji Kimura, Shin-ichi Nakao, Haruhiko Ohya e Tsutomu Nakagawa (1993 Kyoritsu Shuppan Co., Ltd.), página 92.
[037] Os materiais dessas membranas de microfiltração ou membranas de ultrafiltração não são particularmente restritos desde que o material possa alcançar o objetivo mencionado da presente invenção de remoção de partículas finas; e exemplos dos mesmos incluem materiais orgânicos como celulose, ésteres de celulose, polissulfona, poliéter sulfona, polietileno clorado, polipropileno, poliolefina, álcool de polivinila, polimetilmetacrilato, fluoreto de polivinilideno ou tetrafluoreto de polietileno, metais como aço inoxidável e materiais inorgânicos como cerâmica. O material da membrana de microfiltração ou da membrana de ultrafiltração pode ser selecionado conforme apropriado tendo em vista as características do hidrolisado ou os custos de realização. É preferencial que sejam materiais orgânicos; e polietileno clorado, polipropileno, fluoreto de polivinilideno, polissulfona ou poliéter sulfona são preferenciais.
[038] Adicionalmente, antes do tratamento com a membrana de microfiltração e/ou com a membrana de ultrafiltração, um meio para separação sólido-líquido por um método de filtração, um método centrífugo ou similares pode ser empregado, o que significa poder remover uma grande parte dos teores sólidos. Exemplos do método de filtração incluem filtro prensa, filtro de esteira, prensa de esteira e prensa de rosca; e exemplos do método centrífugo incluem decantador de rosca, centrífuga do tipo De Laval ou ultracentrífuga tubular.
[039] Já para a solução aquosa de ácido sulfúrico que é o permeado obtido pela passagem do líquido tratado por ácido sulfúrico diluído pela membrana de nanofiltração, a quantidade inteira ou uma parte da mesma é reutilizada no tratamento por ácido sulfúrico diluído da etapa (1). Conforme mostrado nos exemplos, quando a solução é reutilizada no tratamento por ácido sulfúrico diluído da etapa (1), o rendimento dos açúcares obtidos melhora significativamente. A solução aquosa de ácido sulfúrico também contém, além do ácido sulfúrico, produtos derivados de degradação de biomassa gerados no tratamento por ácido sulfúrico diluído da etapa (1) como ácidos orgânicos, compostos com base em furano ou composto aromático. Devido ao uso de tal solução aquosa de ácido sulfúrico no tratamento por ácido sulfúrico diluído, mesmo quando o tratamento por ácido sulfúrico diluído é o mesmo e a concentração de ácido é a mesma, existe uma melhora na eficácia da hidrolisação de uma fração de celulose, é considerado que ácidos orgânicos, compostos com base em furano ou compostos com base em aromático, os quais são contidos na solução aquosa de ácido sulfúrico, melhoram a eficácia da hidrólise.
[040] Exemplos concretos do ácido orgânico contido na solução aquosa de ácido sulfúrico incluem ácido fórmico, ácido acético, ácido propiônico e ácido butírico. Adicionalmente, exemplos do composto com base em furano na solução aquosa de ácido sulfúrico incluem furfural e hidroximetilfurfural (HMF). Esses ácidos orgânicos e compostos com base em furano são produtos da degradação de glicose ou xilose, os quais são monossacarídeos.
[041] Exemplos concretos do composto com base em fenólico contido na solução aquosa de ácido sulfúrico incluem vanilina, acetovanilina, ácido ferúlico, ácido cumárico, ácido vanílico, ácido siríngico, ácido gálico, aldeído de coniferila, álcool de diidroconiferila, hidroquinona, catecol, acetoguaicona, ácido homovanílico, ácido 4-hidroxibenzoico e derivados de 4- hidroxi-3-metoxifenila (cetonas de Hibbert); e esses compostos são derivados de lignina ou precursores de lignina.
[042] Adicionalmente, quanto à solução aquosa de ácido sulfúrico a ser reutilizada na etapa (1), é preferencial concentrar ácido sulfúrico antes da reutilização. A concentração de ácido sulfúrico na solução aquosa de ácido sulfúrico que é o permeado obtido pela membrana de nanofiltração é, em princípio, um valor menor que a concentração de ácido sulfúrico no líquido tratado por ácido sulfúrico diluído. Portanto, em casos onde o permeado da membrana de nanofiltração é reutilizado, tal qual, no tratamento por ácido sulfúrico diluído, um ácido sulfúrico diluído fresco precisa ser adicionado adicionalmente; e, pela concentração da solução aquosa de ácido sulfúrico, a adição do ácido sulfúrico diluído fresco pode ser reduzida. Adicionalmente, mesmo em casos onde o permeado não é usado no tratamento por ácido sulfúrico diluído, mesmo quando um filtrado obtido pela membrana de nanofiltração não é reutilizado como um líquido residual no tratamento por ácido sulfúrico diluído e é tratado como o líquido residual, a quantidade do líquido residual diminui em comparação àquela no caso do não tratamento com a membrana de nanofiltração; e existe, portanto, um efeito de redução drástica do trabalho para tratamento de líquido residual.
[043] Exemplos de métodos de concentração da solução aquosa de ácido sulfúrico incluem um método de destilação e um método de membrana de osmose reversa; e é preferencial um método de concentração por uma membrana de osmose reversa que é um método que compreende filtrar a solução aquosa de ácido sulfúrico pela membrana de osmose reversa para concentrar ácido sulfúrico no lado de alimentação. A razão do porquê a concentração pela membrana de osmose reversa é preferida é que somente precisa ser necessária menos energia para a concentração em comparação à energia no método de destilação, permitindo que o permeado da membrana de osmose reversa da solução aquosa de ácido sulfúrico seja reutilizado como água industrial; e a quantidade de água usada pode ser acentuadamente diminuída no processo de produção de líquido de açúcar.
[044] A membrana de osmose reversa é uma membrana que também é denominada como uma membrana RO e é, em geral, definida como uma "membrana que tem uma função de remoção de sais que inclui íons monovalentes". Acredita-se que a membrana é uma membrana que tem aberturas microscópicas na faixa de cerca de vários angstroms a vários nanômetros e usada principalmente para remover componentes iônicos, por exemplo, na dessalinização de água do mar ou na produção de água ultrapura.
[045] Como um método de avaliação do desempenho da membrana de osmose reversa para uso na presente invenção, a taxa de permeação (%) de um composto de teste (ácido sulfúrico, monossacarídeos ou similares) contido no líquido de sacarificação pode ser calculada para a avaliação. O método de cálculo da taxa de permeação (%) é mostrado na Equação 1.
[046] Taxa de permeação (%) = (concentração de composto de teste no lado de permeado/concentração de composto de teste no retentado)x100 (Equação 1).
[047] O método de medição de concentração do composto de teste na Equação 1 não é limitado desde que uma técnica analítica que permita uma medição altamente precisa e reproduzível; e cromatografia de líquido de alto desempenho, cromatografia de gás ou similares possam, preferencialmente, ser usados. Em casos onde o composto de teste é ácido sulfúrico, a membrana de osmose reversa para uso na presente invenção preferencialmente tem uma menor taxa de permeação ao mesmo. A membrana de osmose reversa para uso na presente invenção é preferencialmente uma membrana cuja taxa de remoção para cloreto de sódio seja 95% ou mais. Isso é devido a, se for uma membrana que tem a taxa de remoção menor que 95%, a quantidade do ácido sulfúrico perdida no lado de permeado da membrana de osmose reversa aumenta.
[048] Exemplos de materiais da membrana de osmose reversa incluem membranas compostas com um polímero com base em acetato de celulose como uma camada funcional (daqui em diante referidas como membranas de osmose reversa com base em acetato de celulose) e membranas compostas com poliamida como uma camada funcional (daqui em diante referidas como membranas de osmose reversa com base em poliamida). Aqui, exemplos do polímero com base em acetato de celulose incluem aqueles que utilizam somente ésteres de ácido orgânico de celulose como acetato de celulose, diacetato de celulose, triacetato de celulose, propionato de celulose ou butirato de celulose; ou uma mistura dos mesmos; e um éster misturado. Exemplos de poliamida incluem um polímero linear ou um polímero reticulado com diaminas alifáticas e/ou aromáticas como um monômero.
[049] Exemplos concretos da membrana de osmose reversa para uso na presente invenção incluem, além dos tipos de pressão ultrabaixa SUL- G10 e SUL-G20 e dos tipos de baixa pressão SU-710, SU-720, SU-720F, SU- 710L, SU-720L, SU-720LF, SU-720R, SU-710P, e SU-720P, as quais são módulos de membrana de osmose reversa com base em poliamida fabricadas pela Toray Industries, Inc.; tipos de alta pressão que contêm UTC80 como uma membrana de osmose reversa SU-810, SU-820, SU-820L e SU-820FA; membranas de osmose reversa com base em acetato de celulose SC-L100R, SC-L200R, SC-1100, SC-1200, SC-2100, SC-2200, SC-3100, SC-3200, SC- 8100 e SC-8200 que são fabricadas pela mesma empresa; NTR-759HR, NTR- 729HF, NTR-70SWC, ES10-D, ES20-D, ES20-U, ES15-D, ES15-U e LF10-D que são fabricadas pela Denko Corporation; RO98pHt, RO99, HR98PP, e CE4040C-30D que são fabricadas pela Alfa Laval; GE Sepa fabricada pela GE, BW30-4040, TW30-4040, XLE-4040, LP-4040, LE-4040, SW30-4040 e SW30HRLE-4040 que são fabricadas pela Filmtec; TFC-HR e TFC-ULP, que são fabricadas pela KOCH; e ACM-1, ACM-2 e ACM-4 que são fabricadas pela TRISEP.
[050] Na presente invenção, é usada preferencialmente uma membrana de osmose reversa que tem um material de poliamida. Isto é devido à, quando uma membrana com base em acetato é usada ao longo de um grande período de tempo, a enzima usada em uma etapa anterior, em particular uma parte dos componentes de celulase, pode permear para quebrar a celulose que é um material de membrana.
[051] Já para a forma da membrana da membrana de osmose reversa, qualquer uma em uma forma apropriada como um tipo de membrana de folha plana, um tipo em espiral ou um tipo de fibra oca pode ser usado.
[052] Na filtração pela membrana de osmose reversa pode ser aplicada pressão; e a pressão de filtração é preferencialmente em uma faixa de 0,1 a 8 MPa. Se a pressão de filtração é menor que 0,1 MPa, a velocidade de permeação da membrana diminui; e se a pressão de filtração for maior que 8 MPa, possivelmente causará danos à membrana. Adicionalmente, se a pressão de filtração está dentro de uma faixa de 0,5 a 7 MPa, um filtrado pode ser permeado de forma eficaz da solução aquosa de ácido sulfúrico devido a um alto fluxo de permeado da membrana. A seguir, métodos para a produção de uma substância química serão descritos, tais métodos usam, como uma matéria-prima de fermentação, um líquido de açúcar purificado obtido pelo método para produção de um líquido de açúcar de acordo com a presente invenção.
[053] Com o uso de um líquido de açúcar purificado obtido pela presente invenção como uma matéria-prima de fermentação, substâncias químicas podem ser produzidas. O líquido de açúcar purificado obtido pela presente invenção contém, como um componente principal, glicose e/ou xilose, que são fontes de carbono para o crescimento de microrganismos ou células cultivadas. Por outro lado, o conteúdo de inibidores de fermentação tais como compostos de furano, ácidos orgânicos, ou compostos aromáticos são muito pequenos, e, portanto, o líquido de açúcar purificado pode ser usado de modo eficaz como uma matéria-prima de fermentação, em particular, como uma fonte de carbono.
[054] Exemplos de microrganismos ou células cultivadas para uso no método para produzir uma substância química de acordo com a presente invenção incluem leveduras tais como levedura de Baker, bactérias tais como Escherichia coli ou bactéria corineforme, fungos filamentosos, actinomicetos, células animais, e células de insetos, sendo que todos os quais são comumente usados na indústria de fermentação. O microrganismo ou as células a serem usadas podem ser aqueles isolados do ambiente natural ou podem ser aqueles cujas características são parcialmente modificadas por mutação ou recombinação de gene. Em particular, devido ao fato de que um líquido de açúcar derivado de uma biomassa contendo celulose contém pentoses tais como xilose, um microrganismo que tem vias metabólicas intensificadas para pentoses pode ser preferencialmente usado.
[055] Como para um meio para uso no método para produzir uma substância química de acordo com a presente invenção, usada é preferencialmente um meio líquido que contém conforme apropriado, adicionalmente ao líquido de açúcar purificado, fontes de nitrogênio, sais orgânicos, e, conforme necessário, nutrientes de traço orgânico tais como aminoácidos ou vitaminas. O líquido de açúcar purificado da presente invenção contém, como fontes de carbono, monossacarídeos que podem ser usados por microrganismos tais como glicose ou xilose; e, em alguns casos, açúcares tais como glicose, sucrose, fructose, galactose, ou lactose; líquido de sacarificação de amido que contém esses açúcares; melaços de batata doce; melaços de beterraba sacarina; melaço de alto teste; ácidos orgânicos tais como ácido acético; álcoois tais como etanol; glicerina; ou similares podem ser também adicionados como fontes de carbono para uso como matérias primas de fermentação. Como para a fonte de nitrogênio, são usados gás de amônia, amônia aquosa, sais de amônio, ureia, nitratos, e outras fontes orgânicas de nitrogênio que são usadas de modo suplementar, tais como bagaços, líquido hidrolisado com soja, digestões de caseína, outros aminoácidos, vitaminas, milhocina, levedura ou extratos de levedura, extrato de carne, peptídeos, tais como peptona, várias células bacterianas de fermentação e hidrolisados dos mesmos, ou similares. Como para o sal inorgânico, fosfatos, sais de magnésio, sais de cálcio, sais de ferro, sais de manganês, ou similares podem ser adicionados conforme apropriado.
[056] Se o microrganismo para uso na presente invenção exigir um nutriente particular para seu crescimento, a substância de nutriente precisa ser somente adicionada como uma preparação ou um produto natural que contém a mesma. Além disso, um agente antiespumante pode ser usado conforme necessário.
[057] A cultura do microrganismo é geralmente realizada a pH 4 a 8 e uma temperatura em uma faixa de 20 a 40 °C. O pH de um liquido de cultura é ajustado a um valor predeterminado que está geralmente em uma faixa de pH 4 a 8 por um ácido inorgânico ou orgânico, um material alcalino, assim como ureia, carbonato de cálcio, gás de amônia, ou similares. Se a taxa de alimentação de oxigênio precisar ser aumentada, meios podem ser empregados, sendo que os meios envolvem manter uma concentração de oxigênio um oxigênio a 21% ou maior adicionando-se ar, aplicando-se pressão à cultura, aumentando-se uma velocidade de agitação, ou aumentando-se um volume de arejamento.
[058] Como métodos para produzir uma substância química com o uso, como uma matéria-prima de fermentação, do líquido de açúcar purificado obtido pelo método para produzir um líquido de açúcar de acordo com a presente invenção, os métodos de cultura de fermentação conhecidos a aqueles na técnica podem ser empregados; e um método de cultura contínua revelado no documento n° WO2007/097260 é preferencialmente empregado a partir do ponto de vista da produtividade.
[059] A substância química produzida pelo método para produzir uma substância química de acordo com a presente invenção não é limitada desde que a mesma seja uma substância produzida pelos microrganismos ou células acima no liquido de cultura. Exemplos concretos da substância química produzida na presente invenção podem incluir substâncias produzidas em larga escala na indústria de fermentação tais como álcoois, ácidos orgânicos, aminoácidos, ou ácidos nucleicos. Exemplos do álcool incluem etanol, 1,3- propanodiol, 1,4-butanediol, e glicerol; exemplos do ácido orgânico incluem ácido acético, ácido láctico, ácido pirúvico, ácido succínico, ácido málico, ácido itacônico, e ácido cítrico; exemplos do ácido nucleico incluem nucleosídeos tais como inosina ou guanosina e nucleotídeos tais como ácido inosínico ou ácido guanílico; e compostos de diamina tais como cadaverina. Além disso, a presente invenção pode ser aplicada à produção de substâncias, tais como enzimas, antibióticos, ou proteínas recombinantes.
[060] A título de exemplo, o método para produzir um líquido de açúcar de acordo com a presente invenção será adicionalmente descrito em detalhes abaixo. No entanto, a presente invenção não é limitada ao mesmo. (EXEMPLO DE REFERÊNCIA 1) MEDIÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE ÍONS INORGÂNICOS
[061] A concentração de cátions e ânions foi quantificada na condição de HPLC mostrada abaixo por comparação com uma amostra padrão. Íon de sulfato foi quantificado por essa análise aniônica. 1) ANÁLISE DE ÂNIONS Coluna: Íon Pac AS22 (fabricada por DIONEX) Fase móvel: 4,5 mM de Na2CO3/1,4 mM NaHCO3 (taxa de fluxo 1,0 ml/min) Solução de reação: nenhuma Método de detecção: condutividade elétrica (com um supressor sendo usado) Temperatura: 30 °C 2) ANÁLISE DE CÁTIONS Coluna: Íon Pac CS12A (fabricada por DIONEX) Fase móvel: 20 mM de ácido metanossulfônico (taxa de fluxo 1,0 ml/min) Solução de reação: nenhuma Método de detecção: condutividade elétrica (com um supressor sendo usado) Temperatura: 30 °C
[062] A concentração de monossacarídeos que foi contida no liquido obtido foi quantificada em condições de HPLC descritas abaixo por comparação a uma amostra padrão. Coluna: Luna NH2 (fabricada por Phenomenex) Fase móvel: água ultrapura: acetonitrila= 25:75 (taxa de fluxo 0,6 ml/min) Solução de reação: nenhuma Método de detecção: RI (índice de refração diferencial) Temperatura: 30 °C
[063] Compostos à base de furano (HMF e furfural) e compostos com base fenólica (vanilina, ácido cumárico, e ácido ferúlico) que foram contidos no liquido foram quantificados nas condições de HPLC descritas abaixo por comparação a uma amostra padrão. Coluna: Synergi HidroRP 4,6 mm*250 mm (fabricada por Phenomenex) Fase móvel: acetonitrila - 0,1% de H3PO4 (taxa de fluxo 1,0 ml/min) Método de detecção: UV (283 nm) Temperatura: 40 °C
[064] Ácidos orgânicos (ácido acético, ácido fórmico) contidos no liquido foram quantificados nas condições de HPLC descritas abaixo por comparação com uma amostra padrão. - Coluna: Shim-Pack SPR-H e Shim-Pack SCR101H (fabricada por Shimadzu Corporation) em série - Fase móvel: 5 mM de ácido p-toluenossulfônico (taxa de fluxo 0,8 ml/min) - Solução de reação: 5 mM de ácido p-toluenossulfônico, 20 mM bis tris, 0,1 mM EDTA^2Na (taxa de fluxo 0,8 ml/min) - Método de detecção: condutividade elétrica - Temperatura: 45 °C
[065] A título de referência ao método LAP publicado por NREL ("Determination of Structural Carbohydrates e Lignin in Biomass, Laboratory Analytical Procedure(LAP)"), a composição foi analisada pelo método a seguir.
[066] Uma quantidade apropriada de uma amostra foi aliquotada; e em relação ao teor de água, a amostra foi mantida em uma temperatura de 120 °C com o uso de um medidor de hidratação infravermelho (fabricado por Kett Electric Laboratory, FD-720); e um valor obtido a partir de uma diferença entre um valor estável após a evaporação e um valor inicial foi medido. Depois disso, a amostra seca obtida foi submetida à ignição em uma temperatura de 600 °C para determinar o teor de cinzas do mesmo.
[067] Além disso, a amostra foi transferida a um tonel de aço inoxidável e seco em ar na atmosfera do laboratório a fim de se aproximar do estado de equilíbrio; e o resultante foi triturado por um moinho tipo Wiley e passado através de uma peneira para ajustar seu tamanho de partícula a cerca de 200 a 500 μm. A amostra após esse ajuste foi seca a vácuo em uma temperatura de 60 °C; e o teor de cada componente em uma base de secagem absoluta foi determinado corrigindo-se a massa de secagem absoluta. Um copo de precipitação, 0,3 g dessa amostra para análise foi medido por uma balança; e 3 ml de ácido sulfúrico com uma concentração de 72% foi adicionado à mesma e deixado em repouso, enquanto era ocasionalmente agitado, em uma temperatura de 30 °C por uma hora. Essa solução de reação foi completamente transferida a uma garrafa de pressão com 84 ml de água purificada e então autoclavada para termólise em uma temperatura de 120 °C por uma hora. Após a termólise, um líquido e resíduo degradado foram filtrados e adicionados a um filtrado e um líquido de lavagem de resíduos para produzir um volume constante de 100 ml. O resultante foi usado como um líquido de teste. Além disso, um teste de recuperação de pico com o uso de monossacarídeos foi simultaneamente realizado no período de termólise para o propósito de corrigir quebra excessiva de açúcares. Em relação ao monossacarídeo (xilose, arabinose, manose, glicose, e galactose) no líquido de teste, quantificação foi realizada por um método de cromatografia de líquido de alta velocidade (GL-7400 fabricado por GL Sciences Inc., detecção de fluorescência). A partir da concentração de monossacarídeo do líquido degradado obtido e da quantidade da quebra de amostra, a quantidade de estrutural na amostra foi determinada.
[068] Pelo teste de recuperação de pico de monossacarídeo, a quantidade de açúcares estruturais foi determinada. Com o uso de um coeficiente de correção de quebra excessiva de açúcar no período de termólise (Sf: fator de sobrevivência), a quantidade do açúcar estrutural foi corrigida. Deve-se observar que, devido ao fato de que a lignina e similares estão presentes adicionalmente aos componentes mencionados acima, a soma da proporção para todos os itens mencionados acima não resulta em 100%.
[069] Palha de arroz foi usada como biomassa contendo celulose. A análise de composição de palha de arroz foi analisada pelo método do Exemplo de referência 5 a gera o resultado na tabela 1. A palha de arroz foi triturada girando-se em um estado de um diâmetro de malha de tela de 3 mm a 420 rpm em um moinho cortador giratório do tipo RCM-400 (fabricado por Nara Machinery Co., Ltd.). Subsequentemente, a palha de arroz triturada 0,15 kg (peso seco) foi submersa em 1% de solução aquosa de ácido sulfúrico de 1,5 L como um tratamento com ácido sulfúrico diluído e submetida a tratamento por um autoclave (fabricado por Nitto Koatsu Co., Ltd.) a 150 °C por 10 minutos. Após o tratamento com ácido sulfúrico diluído, a separação de sólido-líquido foi realizada para separar em um liquido tratado com ácido sulfúrico diluído (doravante líquido de sacarificação A) que é um componente líquido e um teor de sólido contendo celulose. O pH do líquido de sacarificação A foi de 1,0 e a análise de composição do teor de sólido contendo celulose gerou o resultado na tabela 1.
[070] Além disso, uma solução de amônio foi adicionada ao teor de sólido contendo celulose; e o pH da mesma foi ajustado a aproximadamente 5 e a concentração de sólido da mesma foi ajustado a 10%. A esse líquido, "Accellerase DUET (marca registrada)" (fabricada por Danisco Japan) foi adicionada como uma enzima; e uma reação de hidrólise foi realizada mediante agitamento e mistura a 50 °C por um dia. Depois disso, filtro- prensa foi realizado com o uso de um filtro-prensa MO-4 (fabricado por Yabuta Industries Co., Ltd.); e celulose degradada ou lignina foi separada e removida para obter líquido de sacarificação B. A turvação do líquido de sacarificação B foi de 9 NTU. A concentração de sais orgânicos contidos no líquido de sacarificação A e no líquido de sacarificação B, e a composição de monossacarídeos, ácidos orgânicos, compostos à base de furano, e compostos aromáticos são, cada um, conforme mostrado na tabela 2. TABELA 1: ANÁLISE DE COMPOSIÇÃO DE PALHA DE ARROZ E TEOR DE SÓLIDO CONTENDO CELULOSE APÓS O TRATAMENTO COM ÁCIDO SULFÚRICO DILUÍDO
TABELA 2: COMPOSIÇÃO DE LÍQUIDO DE SACARIFICAÇÃO 
[071] Em seguida, 2 L de permeado obtido filtrando-se o líquido de sacarificação A através de uma membrana de microfiltração com um diâmetro de poro de 0,22 μm (doravante denominado como líquido MF tratado com ácido sulfúrico diluído) foi, cada um, preparado e filtrado através de membranas de nanofiltração 1 a 3 (membrana de nanofiltração 1: MPS-34 fabricada por KOCH (corte de peso molecular: 200), membrana de nanofiltração 2: UTC60 fabricada por Toray Industries, Inc. (corte de peso molecular: 300), e membrana de nanofiltração 3: NTR-7410 fabricada por Nitto Denko Corporation (corte de peso molecular: 700)). Como para a filtração pela membrana de nanofiltração, a membrana de nanofiltração foi cortada a uma membrana de folha plana a fim de ser cortada em "SEPA CF II" fabricada por GE Osmonics (área de membrana ativa: 140 cm2) e então colocada no mesmo; e a filtração foi realizada para 1,5 L de cada líquido MF tratado com ácido sulfúrico diluído em uma taxa de alimentação de 2 L/min e uma taxa de filtração de 5,0 ml/min. A composição do permeado (solução aquosa de ácido sulfúrico) e do retentado (líquido concentrado com açúcar) são mostradas nas tabelas 3 e 4. TABELA 3: COMPOSIÇÃO DE PERMEADO
TABELA 4: COMPOSIÇÃO DE RETENTADO 
[072] Além disso, ácido sulfúrico concentrado foi adicionado ao permeado obtido da membrana de nanofiltração 1 de modo que a concentração de ácido sulfúrico diluído venha a ser 1%; e 0,15 kg (peso seco) de palha de arroz triturada foi posto em 1,5 L desse líquido e submetido a tratamento por um autoclave (fabricado por Nitto Koatsu Co., Ltd.) a 150 °C por 10 minutos. Após o tratamento, separação de sólido-líquido foi realizada e um teor de sólido contendo celulose foi separado. A análise de composição do teor de sólido contendo celulose pelo método do Exemplo de referência 5 gerou o resultado na tabela 5. Além disso, uma solução de amônio foi adicionada ao teor de sólido contendo celulose; e o pH da mesma foi ajustado a aproximadamente 5 e a concentração de sólido do mesmo foi ajustada a 10%. O líquido resultante foi, da mesma maneira que a descrita acima, adicionado com "Accellerase DUET (marca registrada)" (fabricada por Danisco Japan) e agitado e misturado a 50 °C por um dia para realizar a reação de hidrólise. Filtro-prensa foi realizado com o uso de um filtro-prensa MO-4 (fabricada por Yabuta Industries Co., Ltd.) para obter líquido de sacarificação C. A composição de íon de sulfato, monossacarídeos, ácidos orgânicos, compostos à base de furano, compostos aromáticos contidos no líquido de sacarificação C é conforme mostrado na tabela 6. Quando comparado à composição do líquido de sacarificação B na tabela 1, a concentração de glicose e xilose aprimorou claramente. A partir do supracitado, constatou-se que, utilizando-se a solução aquosa de ácido sulfúrico recuperada como o permeado da membrana de nanofiltração no tratamento com ácido sulfúrico diluído da biomassa contendo celulose, uma taxa de sacarificação do teor de sólido contendo celulose por celulase no último estágio aprimorado. TABELA 5: ANÁLISE DE COMPOSIÇÃO DE TEOR DE SÓLIDO CONTENDO CELULOSE APÓS
TABELA 6: COMPOSIÇÃO DE LÍQUIDO DE SACARIFICAÇÃO C 
[073] O pH do líquido MF tratado com ácido sulfúrico diluído do Exemplo 1 foi ajustado a pH 1,5, 2,0, e 2,5 com o uso de amônia; e 1,5 L de 2 L de cada líquido foi filtrado com membranas de nanofiltração 1 a 3. A composição do permeado resultante é mostrada nas tabelas 7 a 9. TABELA 7: CASO DE USO DE MEMBRANA DE NANOFILTRAÇÃO 1
TABELA 8: CASO DE USO DE MEMBRANA DE NANOFILTRAÇÃO 2 
TABELA 9: CASO DE USO DE MEMBRANA DE NANOFILTRAÇÃO 3 
(EXEMPLO COMPARATIVO 1)
[074] O pH do líquido MF tratado com ácido sulfúrico diluído do Exemplo 1 foi ajustado a pH 3,0 e 5,0 com o uso de amônia; e 1,5 L de 2 L de cada líquido foi filtrado com membranas de nanofiltração 1 a 3. A composição do permeado resultante é mostrada nas tabelas 10 a 12. No Exemplo comparativo 1, conforme comparado com o Exemplo 2, a permeabilidade da membrana de nanofiltração para ácido sulfúrico diminuiu consideravelmente e ácido sulfúrico teve capacidade de ser recuperado. Adicionalmente, a taxa de bloqueio para açúcares também diminuiu. TABELA 10: CASO DE USO DE MEMBRANA DE NANOFILTRAÇÃO 1
TABELA 11: CASO DE USO DE MEMBRANA DE NANOFILTRAÇÃO 2 
TABELA 12: CASO DE USO DE MEMBRANA DE NANOFILTRAÇÃO 3 
[075] O líquido MF tratado com ácido sulfúrico diluído do Exemplo 1 (pH 1,0) foi aliquotado a 2 L; e 1,5 L de cada foi filtrado com uma membrana de ultrafiltração de série GE de um corte de peso molecular de 1.000 fabricada por GE ou uma membrana de osmose reversa UTC80 fabricada por Toray Industries, Inc. A composição do retentado resultante é mostrada nas tabelas 13 e 14. Quando a membrana de ultrafiltração foi usada, uma grande quantidade de açúcares terminou atravessando o lado permeado. Por outro lado, quando a membrana de osmose reversa foi usada, açúcares puderam ser bloqueados no lado retentado, mas ácido sulfúrico foi também bloqueado, falhando assim em separar o açúcar do ácido sulfúrico, o que desabilitou a recuperação da solução aquosa de ácido sulfúrico. TABELA 13: CASO DE USO DE MEMBRANA DE ULTRAFILTRAÇÃO
TABELA 14: CASO DE USO DE MEMBRANA DE OSMOSE REVERSA 
[076] Em relação à etapa de hidrolisar a biomassa contendo celulose da etapa (1), o caso em que tratamento hidrotérmico é realizado como um pré-tratamento para remover substâncias de sal inorgânico derivadas de biomassa contendo celulose, 0,1 a 10% em peso de tratamento com ácido sulfúrico diluído é em seguida realizado e uma hidrólise da biomassa contendo celulose é realizada com o uso de celulase será descrito.
[077] Palha de arroz foi usada como biomassa contendo celulose; e a palha de arroz foi triturada girando-se em um estado de um diâmetro de malha de tela de 3 mm a 420 rpm em um moinho cortador giratório de tipo RCM-400 (fabricado por Nara Machinery Co., Ltd.). Subsequentemente, a palha de arroz triturada 0,15 kg (peso seco) foi submersa em água 1,5 L e submetida a tratamento por um autoclave (fabricado por Nitto Koatsu Co., Ltd.) a 150 °C por 10 minutos. Após o tratamento, separação de sólido-líquido foi realizada para separar em água vaporizada que é um componente líquido e celulose tratada de modo hidrotérmico que corresponde ao teor de sólido. A composição de monossacarídeos, ácidos orgânicos, compostos à base de furano, compostos aromáticos na água vaporizada, e concentração de sal dos mesmos são conforme mostrado na tabela 15. TABELA 15: COMPOSIÇÃO DE ÁGUA VAPORIZADA
Em seguida, celulose tratada de modo hidrotérmico 0,15 kg (peso seco) foi submersa em solução aquosa de ácido sulfúrico diluído 1,5 L com uma concentração de ácido sulfúrico diluído de 1,0% levando-se em consideração o teor de água do teor de sólido contendo celulose tratado de modo hidrotérmico e submetida a tratamento por um autoclave (fabricado por Nitto Koatsu Co., Ltd.) a 150 °C por 10 minutos. Após o tratamento com ácido sulfúrico diluído, separação de sólido-líquido foi realizada para separar em um liquido tratado com ácido sulfúrico diluído (doravante, líquido de sacarificação D) e um teor de sólido contendo celulose. A composição de monossacarídeos, ácidos orgânicos, compostos à base de furano, compostos aromáticos contidos no líquido de sacarificação D e a concentração de sal dos mesmos são conforme mostrado na tabela 16. Realizando-se o tratamento hidrotérmico como um pré-tratamento do tratamento com ácido sulfúrico diluído, a concentração de açúcar foi aprimorada e, ao mesmo tempo, a concentração de sais orgânicos diminuiu. TABELA 16: COMPOSIÇÃO DE LÍQUIDO DE SACARIFICAÇÃO D 
[078] Além disso, o líquido de sacarificação D foi filtrada através de uma membrana de microfiltração de um diâmetro de poro de 0,22 μm; e o permeado obtido 2 L foi filtrado através de uma membrana de nanofiltração 1 (MPS- 34 fabricada por KOCH). Como para a filtração pela membrana de nanofiltração, a membrana de nanofiltração foi cortada a uma membrana de folha plana a fim de ser colocada em "SEPA CF II" fabricada por GE Osmonics (área de membrana ativa: 140 cm2) e então colocada na mesma; e a filtração foi realizada para 1,5 L do permeado em uma taxa de alimentação de 2 L/min e uma taxa de filtração de 5,0 ml/min. A composição do permeado obtido da membrana de nanofiltração é conforme mostrado na tabela 17. Constatou-se que, realizando-se o tratamento hidrotérmico como um pré-tratamento do tratamento com ácido sulfúrico diluído, a propriedade de remover ácido sulfúrico aprimorou. Isso ocorreu presumidamente devido ao fato de que a concentração de íons inorgânicos e similares contida no liquido tratado com ácido sulfúrico diluído diminuiu. TABELA 17: COMPOSIÇÃO DE PERMEADO DE MEMBRANA DE NANOFILTRAÇÃO 1
[079] Dois litros de permeado da membrana de nanofiltração 1 obtidos no Exemplo 1 foram preparados e 1,0 L do permeado foi filtrado através de uma membrana de folha plana de membrana de osmose reversa SW2540 fabricada por Filmtec em uma taxa de alimentação de 2 L/min e uma taxa de filtração de 5,0 ml/min. A composição de 1,0 L do retentado e 1,0 L do permeado é conforme mostrado na tabela 18. O ácido sulfúrico muito pouco perdido e teve capacidade de ser concentrado. TABELA 18: RESULTADO DE COMPOSIÇÃO DE PERMEADO DE RETENTADO DE
[080] O retentado da membrana de osmose reversa foi diluído com RO água para produzir 1,5 L de modo que a concentração de ácido sulfúrico venha a ser 1,0%; e a palha de arroz triturada 0,15 kg (peso seco) foi posta no mesmo e submetido a tratamento por um autoclave (fabricado por Nitto Koatsu Co., Ltd.) a 150 °C por 10 minutos. Após o tratamento, separação de sólido- líquido foi realizada e um teor de sólido contendo celulose foi separado. Subsequentemente, uma solução de amônio foi adicionada ao teor de sólido contendo celulose; e o pH do mesmo foi ajustado a aproximadamente 5 e a concentração de sólido do mesmo foi ajustado a 10%. Esse líquido resultante foi, da mesma maneira que descrito acima, adicionado com "Accellerase DUET (marca registrada)" (fabricada por Danisco Japan) e agitado e misturado a 50 °C por um dia para realizar a reação de hidrólise; e adicionalmente o filtro-prensa foi realizado com o uso de um filtro-prensa MO-4 (fabricada por Yabuta Industries Co., Ltd.) para obter líquido de sacarificação E. A composição de íon de sulfato, monossacarídeos, ácidos orgânicos, compostos à base de furano, e composto aromático contida no líquido de sacarificação E é conforme mostrado na tabela 19; e, realizando-se o tratamento com ácido sulfúrico diluído com o uso da membrana de osmose reversa líquido concentrado da solução aquosa de ácido sulfúrico, a taxa de sacarificação de glicose e xilose aprimorou, conforme comparado com a do líquido de sacarificação B na tabela 2. Além disso, na análise de composição de teor de sólido contendo celulose após o reuso de tratamento com ácido sulfúrico diluído pelo método do Exemplo de referência 5, constatou-se que a proporção de glicose que compõe a celulose em particular aumentou. TABELA 19: RESULTADO DE COMPOSIÇÃO DE LÍQUIDO DE SACARIFICAÇÃO E
TABELA 20: ANÁLISE DE COMPOSIÇÃO DE TEOR DE SÓLIDO CONTENDO CELULOSE 
[081] A fermentação de etanol por cepa de Escherichia coli (cepa KO11, ATCC55124) geneticamente modificada foi realizada com o uso do líquido de açúcar do Exemplo 1 as uma matéria-prima de fermentação. Como para o líquido de açúcar, o líquido concentrado com açúcar de membrana de nanofiltração 1 do Exemplo 1 (doravante, líquido de sacarificação F) e uma mistura líquida obtida misturando-se 4 L do líquido de sacarificação B com 1 L do líquido de sacarificação F (doravante, líquido de sacarificação G) foram usados. Observe-que a composição líquida do líquido de sacarificação G foi conforme mostrado na tabela 21. TABELA 21: COMPOSIÇÃO DE LÍQUIDO DE SACARIFICAÇÃO G
[082] A Escherichia coli geneticamente modificada descrita acima foi primeiro pré-cultivada em um meio YPDX (1% de glicose, 1% de xilose, 1% de extrato de levedura (Bacto Yeast Extract, fabricada por BD), 2% de polipeptona (fabricada por Nihon Pharmaceutical Co., Ltd.) a 32 °C por um dia. Subsequentemente, o líquido de sacarificação F e o líquido de sacarificação G foram ajustados com hidróxido de cálcio (fabricado por Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) a fim de ter pH 6,0; e, depois disso, o liquido obtido de cultura foi adicionado em 10% em volume. Depois de adicionado, a Escherichia coli recombinante foi incubada a 32 °C por dois dias. A concentração cumulativa de etanol contida no liquido de cultura obtido por essa operação foi quantificada por uma cromatografia de gás. Shimadzu GC-2010 capilar GC TC-1 (GL science) medidor 15 L.*0,53 mm I.D., df 1,5 μm foi usado; e detecção e cálculo foram realizados por um detector de ionização de chama para avaliação. Como um resultado, pode-se confirmar que etanol foi obtido em 20,1 g/L a partir do líquido de sacarificação F e em 12,9 g/L a partir do líquido de sacarificação G. Ou seja, pode-se confirmar que a produção de etanol, que é uma substância química, poderia ser produzida com o uso do líquido de açúcar obtido pela presente invenção como uma matéria-prima de fermentação.
[083] A fermentação de ácido L-láctico por cepa JCM7638 de Lactococcus lactis foi realizada com o uso do líquido de sacarificação F ou o líquido de sacarificação G como uma matéria-prima de fermentação. A cepa JCM7638 Lactococcus lactis foi submetida à cultura estática em uma temperatura de 37 °C por 24 horas; e a concentração de acido L-láctico contida no liquido de cultura foi analisada na condição abaixo. O microrganismo descrito acima foi pré-cultivado em um YPDX meio (1% de glicose, 1% de xilose, 1% de extrato de levedura (Bacto Extrato de levedura/BD), 2% de polipeptona (fabricada por Nihon Pharmaceutical Co., Ltd.) a 37 °C por um dia. Subsequentemente, o líquido de sacarificação F e o líquido de sacarificação G foram ajustados com hidróxido de cálcio (fabricada por Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) a fim de ter pH 6,0; e, depois disso, o liquido obtido de cultura foi adicionado em 10% em volume. Depois de adicionado, o microrganismo foi incubado a 37 °C por dois dias. A concentração cumulativa de ácido láctico contido no liquido de cultura obtida por essa operação foi analisada pelo método do Exemplo de referência 4. Como o resultado da análise, confirmou-se que ácido L-láctico foi acumulado em 47,8 g/L do líquido de sacarificação F e em 30,5 g/L do líquido de sacarificação G; e pode-se confirmar que a produção de ácido L-láctico, que é uma substância química, é viável com o uso do líquido de açúcar obtido pela presente invenção as uma matéria-prima de fermentação.
[084] O líquido de açúcar obtido pelo método para produzir um líquido de açúcar de acordo com a presente invenção pode ser usado como uma matéria-prima de fermentação para várias substâncias químicas.
Claims (5)
1. MÉTODO PARA PRODUZIR UM LÍQUIDO DE AÇÚCAR a partir de biomassa contendo celulose, caracterizado por compreender as seguintes etapas (1) a (4): etapa (1): a etapa de submeter uma biomassa contendo celulose a um tratamento com ácido sulfúrico diluído e depois separar a biomassa contendo celulose tratada em um liquido tratado com ácido sulfúrico diluído e um teor de sólido contendo celulose; etapa (2): a etapa de adicionar uma celulase ao teor de sólido contendo celulose para hidrolisar a celulose e depois obter um líquido de açúcar; etapa (3): a etapa de filtrar o liquido tratado com ácido sulfúrico diluído através de uma membrana de nanofiltração a pH 2,5 ou menor para através disso separar um líquido concentrado com açúcar como um retentado e recuperar uma solução aquosa de ácido sulfúrico como um permeado; e etapa (4): a etapa de reutilizar a quantidade total ou uma parte da solução aquosa de ácido sulfúrico obtida na etapa (3) no tratamento com ácido sulfúrico diluído na etapa (1).
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender a etapa de filtrar a solução aquosa de ácido sulfúrico obtida na etapa (3) através de uma membrana de osmose reversa para através disso concentrar ácido sulfúrico como um retentado.
3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pela membrana de nanofiltração na etapa (3) ter um corte de peso molecular de 300 ou menos.
4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pela solução aquosa de ácido sulfúrico compreender um tipo ou dois ou mais tipos de compostos selecionados a partir do grupo que consiste em um ácido orgânico, um composto à base de furano e um composto aromático.
5. MÉTODO PARA PRODUZIR UMA SUBSTÂNCIA QUÍMICA, caracterizado por compreender a etapa de produzir um líquido de açúcar pelo método, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4, e a etapa de cultivar um microrganismo capaz de produzir uma substância química com o uso do líquido de açúcar assim obtido como uma matéria-prima de fermentação.
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