BR132015032426E2 - método para hidrolisar um material celulósico e método para preparar etanol - Google Patents

Abstract

“método para hidrolisar um material celulósico e método para preparar etanol” trata-se de um método para hidrolisar um material celulósico. uma mistura de alimentação que contém água e um material celulósico é contatado com um catalisador de enzima que hidrolisa celulose e um tensoativo não iônico para produzir uma mistura de produto de hidrólise que inclui água, o catalisador de enzima e o tensoativo não iônico. o produto de hidrólise é direcionado através de uma membrana para fornecer uma solução de permeado aquosa que compreende um ou mais açúcares de peso molecular baixo derivados do material celulósico e um retentado que inclui o catalisador de enzima e o tensoativo não iônico. usualmente, o retentado é substancialmente depletado em açúcares de peso molecular baixo derivados do material celulósico; e o mesmo inclui substancialmente todo o catalisador de enzima e o tensoativo. métodos relacionados para preparar etanol são também descritos.

Description

“MÉTODO PARA HIDROLISAR UM MATERIAL CELULÓSICO E MÉTODO PARA PREPARAR ETANOL” Certificado de Adição de Invenção do BR 10 2013 031319-0, depositado em 05/12/2013.

Campo da técnica [001] Esta revelação refere-se a material celulósico. Em algumas realizações particulares, a invenção refere-se a métodos para tratar o material celulósico para fornecer produtos úteis como biocombustíveis celulósicos.

Antecedentes da Invenção [002] A biomassa se mostrou uma promessa considerável como uma fonte renovável de energia de combustível, e novos processos para transformar eficazmente a biomassa em biocombustíveis adequados estão continuamente sendo investigados. Os materiais celulósicos (vegetais) são uma fonte significativa de açúcares fermentáveis, tal como a glicose, que podem ser transformados em biocombustíveis. Já que os açúcares em materiais vegetais estão contidos em cadeias poliméricas longas de celulose e hemicelulose, é necessário quebrar essas cadeias poliméricas em açúcares monoméricos, antes da etapa de fermentação.

[003] As técnicas enzimáticas convencionais são frequentemente usadas para quebrar as cadeias poliméricas por hidrólise. Os produtos finais usualmente compreendem água, açúcares de peso molecular baixo e um catalisador de enzima que hidrolisa celulose. Essa mistura de produto é, então, separada em uma solução que contém os açúcares de peso molecular baixo produzidos a partir da hidrólise do material celulósico e outros componentes da mistura de produto.

[004] Esforços pata aumentar a eficácia do processo de biocombustível celulósico atraíram interesse crescente, especialmente em instalações de produção em grande escala. A separação e a recuperação do catalisador de enzima hidrolítico é um dos pontos focais desses esforços. Adicionalmente ao fornecimento para a recuperação e a reutilização do catalisador, um processo de separação bastante eficaz resulta na produção de uma solução relativamente pura de açúcares de peso molecular baixo.

[005] Uma variedade de etapas de separação de sólido e líquido pode ser usada após a hidrólise, tais como centrifugação, microfiltração e técnicas de filtro-prensa. Embora essas técnicas possam ser bastante adequadas para produzir um produto desejado, continua a haver desafios à eficácia do processo geral, dependendo, em parte, da natureza do material de biomassa original. Por exemplo, no caso de biomassa concentrada lignocelulósica, a lignina pode não ser digerida durante as etapas de hidrólise. Já que a lignina tem uma forte afinidade às enzimas de celulose, as enzimas são adsorvidas no componente de lignina e separadas da solução de hidrólise. Dessa maneira, uma porção das enzimas não pode ser recuperada e reutilizada e é indesejavelmente perdida no processo. Isso, por sua vez, pode diminuir a eficácia geral da produção de açúcar de peso molecular baixo, assim como a produção de biocombustível. Os tempos de processo estendidos durante a hidrólise enzimática e as etapas de separação podem também tornar o esforço geral não econômico em algumas situações.

[006] Com essas preocupações e objetivos em mente, processos novos ou melhorados para hidrolisar o material celulósico seriam bem-vindos na técnica. Os processos devem representar uma melhora na eficácia, em comparação aos métodos agora praticados. Além disso, novas técnicas para reduzir o consumo das enzimas celulósicas usadas na etapa de hidrólise seriam um feito significativo. Os processos que resultaram especificamente na produção de uma solução relativamente pura de açúcares de peso molecular baixo que eram substancialmente livres dos catalisadores de enzimas usados nos processos seriam também altamente benéficos. Finalmente, os processos que melhoraram a capacidade de recuperar e reutilizar o catalisador de enzima hidrolítico seriam de grande valor.

Descrição Resumida da Invenção [007] Uma realização da invenção é direcionada a um método para hidrolisar um material celulósico que compreende: a) contatar uma mistura de suprimento que compreende água e um material celulósico com um catalisador de enzima que hidrolisa celulose e um tensoativo não iônico para produzir uma mistura de produto de hidrólise que compreende água, o catalisador de enzima e o tensoativo não iônico e um ou mais açúcares de peso molecular baixo do material celulósico; e b) direcionar o produto de hidrólise através de uma membrana para fornecer uma solução de permeado aquosa que compreende um ou mais açúcares de peso molecular baixo derivados do material celulósico e um retentado que compreende o catalisador de enzima e o tensoativo não iônico; em que a membrana em um corte de peso molecular em uma faixa de cerca de 200 a cerca de 2.000; em que a solução de permeado é substancialmente livre do catalisador de enzima e do tensoativo não iônico; e em que o retentado é substancialmente esgotado em açúcares de peso molecular baixo derivados do material celulósico; e compreende substancialmente todo o catalisador de enzima e o tensoativo não iônico.

[008] Outro aspecto da invenção refere-se a um método para preparar etanol. Nesse método, pelo menos um açúcar de peso molecular baixo é submetido à fermentação. O açúcar de peso molecular baixo é inicialmente formado pelo processo de hidrólise enzimática descrito completamente nesta revelação. Conforme também notado abaixo, vários outros bioquímicos podem ser produzidos dessa maneira, de acordo com os ensinamentos no presente documento.

Breve Descrição das Figuras [009] A Figura 1 é um esquema que retrata uma realização exemplificativa do processo e sistema desta invenção.

[010] A Figura 2 é um esquema que retrata outra realização exemplificativa do processo e sistema desta invenção.

Descrição Detalhada [011] A linguagem de aproximação, conforme usada no presente documento ao longo do relatório descritivo e das reivindicações, pode ser aplicada para modificar qualquer representação quantitativa que pode permissivamente variar sem resultar em uma alteração na função básica à qual a mesma se refere. Consequentemente, um valor modificado por um termo ou termos, como “cerca de” e “substancialmente”, não é limitado ao valor preciso especificado. Em alguns casos, a linguagem aproximada pode corresponder à precisão de um instrumento para medir o valor. Aqui e no decorrer do relatório descritivo e das reivindicações, limitações de faixa podem ser combinadas e/ou alternadas, sendo que tais faixas são identificadas e incluem todas as subfaixas contidas nas mesmas, a menos que o contexto ou a linguagem indique o contrário.

[012] No relatório descritivo e nas reivindicações a seguir, as formas singulares “um”, “uma”, “a” e “o” incluem referências no plural a menos que o contexto indique claramente o contrário. Conforme usado no presente documento, o termo “ou” não se destina a ser exclusivo; e se refere a pelo menos um dentre os componentes referenciados que estão presentes; e inclui ocorrências nas quais uma combinação dos componentes referenciados pode estar presente, a menos que o contexto indique claramente o contrário.

[013] As realizações desta invenção fornecem o uso de materiais celulósicos para produzir biocombustíveis tal como etanol. Em várias realizações, os materiais celulósicos adequados incluem bagaço de cana de açúcar e palha de cana de açúcar. Outros materiais celulósicos que podem ser adequados para uso incluem restos culturais do milho, miscanthus, cana-energia, cana gigante (Arundo donax), painço amarelo (Panicum virgatum), misturas de gramas, lascas de madeira e serragem. Em algumas realizações particulares, o material celulósico é selecionado a partir do grupo que consiste em bagaço de cana de açúcar, palha de cana de açúcar, restos culturais do milho, miscanthus, cana-energia, cana gigante, painço amarelo, misturas de gramas, lascas de madeira, serragem e misturas que compreendem dois ou mais dos materiais celulósicos anteriores.

[014] (Deve ser também notado que as realizações adicionais desta invenção são direcionadas à produção de vários bioquímicos, por meio de um processo de fermentação que segue tipicamente a hidrólise enzimática. Os exemplos não limitantes de compostos químicos que podem ser preparados de tal maneira incluem ácido succínico, ácido láctico, butanol, 1,3-propanodiol e similares. Conforme descrito abaixo, o uso de tensoativos não iônicos, sozinhos ou em conjunto com o uso de membranas especializadas, pode acentuar consideravelmente a produção bioquímica também).

[015] Na execução do processo geral desta invenção, por exemplo, para a hidrólise enzimática, uma mistura de suprimento que compreende água e um material celulósico tal como bagaço de cana de açúcar é contatado com um ou mais catalisadores de enzima que hidrolisa celulose e pelo menos um tensoativo não iônico para efetuar a hidrólise enzimática da celulose presente no bagaço em suas unidades de glicose constituintes e fragmentos derivados de celulose que contêm glicose tal como celobiose.

[016] Conforme usado no presente documento, o termo “contatar” significa colocar os constituintes da mistura de suprimento (água e um material celulósico) em contato íntimo com um ou mais catalisadores de enzima que hidrolisa celulose sob condições em que o catalisador de enzima que hidrolisa celulose cliva a celulose e/ou hemicelulose em suas unidades de açúcar constituintes a taxas úteis, sem comprometer a atividade catalítica do catalisador de enzima que hidrolisa celulose. Aqueles de habilidade comum na técnica entendem que a etapa de contato pode ser executada por meio de muitas técnicas, por exemplo, mistura, mescla, extrusão, amassamento, agitação e similares.

[017] Conforme mencionado acima, um não iônico também contata a mistura de suprimento de água e do material celulósico e é um componente muito importante para as realizações desta invenção. Conforme aqueles versados na técnica entendem, os tensoativos são geralmente usados para uma ampla variedade de propósitos, muitos dos quais capitalizam sua capacidade de reduzir a tensão de superfície entre dois líquidos ou entre um líquido e um sólido. Os tensoativos são usualmente compostos orgânicos que são anfofílicos, contendo tanto grupos hidrofóbicos quanto grupos hidrofílicos.

[018] Os tensoativos não iônicos são uma classe particular de compostos usados para as realizações desta invenção. Conforme conhecido na técnica, os mesmos usualmente não produzem íons em soluções aquosas e são, portanto, bastante compatíveis para uso em misturas complexas. Os exemplos não limitantes de tensoativos não iônicos incluem álcoois lineares etoxilados, alquil fenóis etoxilados, ésteres de ácido graxo, derivados de amina e amida, alquilpoliglicosídeos, copolímeros de óxido de etileno/óxido de propileno, poliálcoois, poliálcoois etoxilados, tióis (mercaptanos) e derivados dos mesmos. Em algumas realizações preferenciais (embora nem todas as realizações), o tensoativo não iônico é selecionado a partir de um dos grupos a seguir: copolímeros de poloxâmero; ésteres de ácido graxo de polioxietileno sorbitano; e compostos de polialquileno glicol.

[019] Os poloxâmeros são copolímeros tribloco não iônico, usualmente compostos de uma cadeia hidrofóbica central de poiioxipropileno (também conhecido como poli(óxido de propileno), ligado entre duas cadeias hidrofílicas de polioxietileno, isto é, poli(óxido de etileno)). O comprimento de cada bloco pode ser variado consideravelmente para modificar as propriedades desejadas do material de poloxâmero. Os exemplos comerciais de tais materiais são conhecidos pelos nomes comerciais Synperonics®, Pluronics® e Kolliphor®. Alguns poloxâmeros exemplificativos úteis para a presente invenção estão disponíveis como Pluronic® L-92, Pluronic® L-121, Pluronic® F-68, Pluronic® L-81 e Pluronic® L-44, A fórmula química particular para cada um desses materiais é também conhecida na técnica.

[020] Os ésteres de ácido graxo de polioxietileno sorbitano úteis para a presente invenção são também conhecidos na técnica. Os mesmos são usados em uma variedade de aplicações, tais como produtos farmacêuticos, cosméticos e produtos alimentares, e estão frequentemente disponíveis em formulações em pó ou líquidas. Muitos desses materiais são vendidos sob o nome comercial TWEEN®. Os exemplos incluem TWEEN® 20 (monolaurato), TWEEN® 80 (monooleato), TWEEN® 40 (monopalmitato), TWEEN® 60 (monoestearato) e TWEEN® 65 (triestearato).

[021] Outra classe de tensoativos não iônicos que são úteis para realizações específicas desta invenção baseia-se em compostos de polialquileno glicol. Esses materiais têm a estrutura geral H-(0-CH2-CH2)n-OH, em que “n” pode variar consideravelmente, mas está usualmente na faixa de cerca de 6 a cerca de 500. Em algumas realizações específicas, os polialquileno glicóis têm um peso molecular médio na faixa de cerca de 300 g/mol a cerca de 20.000 g/mol. Em algumas realizações preferenciais, o peso molecular está na faixa de cerca de 2.000 g/mol a cerca de 8.000 g/mol. Os polialquileno glicóis são algumas vezes referidos como “óxido polietileno” ou “polioxietileno”.

[022] Vários compostos de polietileno glicol adequados estão disponíveis na técnica. Os exemplos adequados incluem PEG 4000, PEG 1450, PEG 8000 e PEG 6000. Alguns dos polietileno glicóis estão disponíveis sob os nomes comerciais Macrogel™ ou Carbowax®.

[023] A quantidade de tensoativo não iônico que é usada para contatar a mistura de suprimento que compreende o material celulósico dependerá de vários fatores. Os mesmos incluem: o tipo de tensoativo; o tipo de material celulósico sendo tratado, incluindo tanto suas características químicas quanto físicas; assim como a identidade e o nível do catalisador de enzima que é também empregado. Em alguns casos, o nível de tensoativo presente está na faixa de cerca de 0,001 g/L a cerca de 10 g/L. Uma faixa especialmente preferencial para alguns usos finais está na faixa de cerca de 0,1 g/L a cerca de 2 g/L.

[024] A Figura 1 é um esquema geral de um processo 10 para hidrolisar o material celulósico 11 (por exemplo, bagaço cru), de acordo com algumas das realizações inventivas. Na maioria das realizações, pelo menos uma etapa de pré-tratamento 12 é útil. Conforme aqueles versados na técnica entendem, a lignocelulose e outros materiais crus celulósicos frequentemente possuem uma estrutura física/química rígida. Portanto, as etapas devem ser tomadas para liberar a celulose da lignina e sua estrutura cristalina. Dessa maneira, a lignina pode ser mais acessível para a etapa de hidrólise subsequente.

[025] Várias técnicas de pré-tratamento podem ser usadas. Tanto as técnicas físicas quanto as químicas estão disponíveis. Um pré-tratamento físico, por exemplo, pode reduzir o tamanho das partículas de biomassa, por exemplo, por trituração, pulverização e/ou tratamento com calor. Um pré-tratamento químico pode remover quaisquer barreiras químicas, de modo que as enzimas usadas no processo possam ganhar acesso à celulose, para a ação hidrolítica desejada. Os exemplos não limitantes de pré- tratamentos celulósicos incluem hidrólise ácida, expansão de fibra de amônia, pré-tratamento com sulfito, explosão de vapor, técnicas de fracionamento de celulose AVAP®, técnicas de tratamento biológico; e tratamento com líquidos iônicos. Em algumas realizações específicas, as técnicas de explosão de vapor executadas a uma temperatura de cerca de 150s C a cerca de 300s C são usadas para tratar o material celulósico. Na maioria das realizações, água é usada para formar uma pasta fluida da mistura de suprimento, se a mesma for pré-tratada ou não.

[026] A pasta fluida de mistura de suprimento (ou “material de suprimento”) é, então, contatada com o catalisador de enzima e pelo menos um tensoativo não iônico conforme descrito acima (e na medida em que é suprida, por exemplo, a partir de uma ou mais fontes 13), na etapa de hidrólise 14. Os catalisadores de enzima, frequentemente referidos simplesmente como “enzimas”, funcionam em grande parte para causar a despolimerização dos materiais de celulose e hemicelulose em suas unidades constituintes. (Conforme é conhecido na técnica, as enzimas são proteínas de planta de ocorrência natural que fazem com que determinadas reações químicas ocorram). Os catalisadores de enzimas adequados são conhecidos na técnica e comercialmente disponíveis. Muitos são secretados por micróbios, por exemplo, glicosídeo hidrolases. As enzimas estão disponíveis a partir de fontes tais como loqen Corporation, Genencor, Novozvmes, Dvadic International e BP Biofuels (Verenium).

[027] Em muitas realizações, a mistura de suprimento geral nesse estágio compreende cerca de 1 a cerca de 40% em peso de material celulósico. Em algumas realizações específicas, o material celulósico está presente em uma quantidade de cerca de 5% em peso a cerca de 20% em peso com base no peso inicial total da mistura de suprimento e no peso seco do material celulósico, o equilíbrio da mistura de suprimento que consiste em água, no catalisador de enzima que hidrolisa celulose e no(s) tensoativo não iônico(s). Em algumas realizações específicas, a mistura de suprimento compreende de cerca de 60% a cerca de 85% em peso de água, de menos do que 0,1% a cerca de 4% em peso de catalisador de enzima que hidrolisa celulose; e cerca de 0,0001% em peso a cerca de 1% em peso do{s) tensoativo(s) não iônico(s). O peso seco do material celulósico é definido em referência ao peso hipotético do material celulósico do qual substancialmente toda a água foi removida. A maioria dos materiais celulósicos adequados para o uso de acordo com uma ou mais realizações da invenção contém quantidades substanciais de água, a não ser que submetido a uma etapa de secagem rigorosa.

[028] A etapa de hidrólise enzimática 14 pode ser executada ao longo de uma ampla faixa de temperatura, incluindo a temperatura ambiente prevalecente. Em uma realização, a hidrólise enzimática é executada a uma temperatura em uma faixa de cerca de 20 °C a cerca de 80 °C. Em uma realização alternativa, a hidrólise enzimática é executada a uma temperatura em uma faixa de cerca de 25 a cerca de 60 °C. Em ainda outra realização, a hidrólise enzimática é executada a uma temperatura em uma faixa de cerca de 30 a cerca de 40 °C. Conforme será apreciado por aqueles de habilidade comum na técnica, o limite máximo de temperatura na etapa de hidrólise pode variar, dependendo de diversos fatores. Os fatores exemplificativos incluem a sensibilidade de um ou ambos dentre o catalisador de enzima que hidrolisa celulose e os açucares de produto às condições de hidrólise.

[029] Conforme descrito em um pedido de patente relacionado, Dossiê do Advogado 271445, depositado no Brasil em 5 de dezembro de 2013, como o número de série BR 10 2013 031319-0 (J. Lopez et al), a conversão completa do material celulósico em suas unidades de açúcar constituintes é, algumas vezes, desejada. Entretanto, é frequentemente vantajoso, por exemplo, em processos contínuos, converter apenas uma porção do material celulósico em suas unidades de açúcar constituintes e, posteriormente, separar e usar todo ou uma porção do material celulósico não convertido para preparar a mistura de suprimento. Em uma realização, pelo menos cerca de 50% do material celulósico inicialmente presente na mistura de suprimento é convertido em açúcares de peso molecular baixo em uma primeira etapa de contato antes de qualquer reciclagem do material celulósico em uma mistura de suprimento. (Todos os conteúdos do Pedido brasileiro de número de série BR 10 2013 031319-0, designado à cessionária da presente invenção, são incorporados no presente documento a título de referência).

[030] Durante o curso da etapa de contato, a mistura de suprimento inicial é convertida em uma mistura de produto de hidrólise que compreende água; no catalisador de enzima que hidrolisa celulose; um ou mais açúcares de peso molecular baixo; e qualquer parte não convertida restante do material celulósico. Os açúcares de peso molecular baixo são definidos no presente documento como incluindo hexoses tal como glicose (peso molecular de 180 gramas por mol) e pentoses tal como xilose (peso molecular de 150 gramas por mol). Para a maioria das realizações desta invenção, os açúcares de peso molecular baixo são definidos como tendo pesos moleculares menores do que cerca de 200 gramas por mol. Tipicamente, a mistura de hidrólise crua compreende de cerca de 1 por cento em peso a cerca de 20 por cento em peso de açúcares de peso molecular baixo.

[031] Em referência continuada à Figura 1, a mistura de produto de hidrólise resultante da etapa 14 pode ser tratada de vários modos. Em algumas ocorrências, pelo menos uma etapa de separação de sólido e líquido 16 é executada, removendo o material sólido 18. Qualquer dispositivo de separação de sólido e líquido adequado que tenha a capacidade de remover material celulósico não dissolvido pode ser empregado. Os exemplos não limitantes incluem uma centrífuga, um funil de filtro, um filtro de tela ou um filtro Bird.

[032] Em algumas ocorrências, a remoção de sólidos da mistura de produto de hidrólise não é exigida. Entretanto, a etapa (ou múltiplas) é tipicamente efetuada para acentuar a facilidade com a qual a mistura de produto de hidrólise pode ser manipulada posteriormente. Frequentemente, quantidades substanciais de componentes de lignina insolúvel em água do material celulósico são removidas da mistura de produto de hidrólise durante a remoção dos sólidos.

[033] Para as realizações desta invenção, pelo menos uma etapa de filtração com base em membrana é executada, conforme mencionados anteriormente. Direcionar o produto de hidrólise através de uma membrana fornece uma solução de permeado aquosa que compreende um ou mais açúcares de peso molecular baixo (conforme descrito acima) derivados do material celulósico e um retentado que compreende o catalisador de enzima e o tensoativo não iônico. A membrana empregada é usualmente uma membrana do tipo exclusão por tamanho que tem um corte de peso molecular em uma faixa de cerca de 200 daltons a cerca de 2.000 daltons. Em outras palavras, os materiais que têm um peso molecular maior do que o dado corte de peso molecular serão rejeitados pela membrana e não passarão através da mesma. Em uma realização, a membrana tem um corte de peso molecular de 250 daltons e rejeita 90 por cento ou mais das moléculas orgânicas neutras que têm um peso molecular de 250 gramas por mol ou mais. Em uma realização alternativa, a membrana tem um corte de peso molecular de 1000 daltons e rejeita 90 por cento ou mais das moléculas orgânicas neutras que têm um peso molecular de 1000 gramas por mol ou mais.

[034] Em várias realizações, celulose, fragmentos de celulose de peso molecular moderado a alto e o catalisador de enzima que hidrolisa celulose não passam através da membrana. Em outra realização, a membrana empregada é uma membrana do tipo exclusão por tamanho que tem um corte de peso molecular em uma faixa de cerca de 200 daltons a cerca de 1.000 daltons. Em ainda outra realização, a membrana empregada é uma membrana do tipo exclusão por tamanho que tem um corte de peso molecular em uma faixa de cerca de 200 daltons a cerca de 500 daltons. As membranas de exclusão por tamanho adequadas incluem, dentre outras, membranas de nanofiltração na séria D fabricadas junto à GE Water and Process Technologies. As membranas de séria D são caracterizadas por um corte de peso molecular aproximado de 150 a 300 daltons para moléculas orgânicas não carregadas e incluem membranas que têm os números de produto DK8040F e DL8040F. Outras membranas adequadas incluem as membranas de série G GE8040F, GFI8040F e GK8040F também disponíveis junto à GE Water and Process Technologies.

[035] Como os açúcares de peso molecular baixo passam livremente através da membrana, a concentração típica dos açúcares de peso molecular baixo em relação à água no permeado e no retentado é essencialmente idêntica. A quantidade total de açúcares de peso molecular baixo no permeado pode ser maximizada através da maximização do volume do permeado em relação ao volume do retentado. Em uma realização, o volume relativo do permeado para o volume do retentado é maior do que 2 para 1. Sob tais circunstâncias, o permeado conterá mais do que duas vezes a quantidade de açúcares de peso molecular baixo do que o retentado, e o retentado é definido como sendo substancialmente esgotado nos açúcares de peso molecular baixo. (Em algumas realizações, o retentado exibe pelo menos 50% da atividade enzimática de uma mistura de suprimento inicial da qual o mesmo é derivado).

[036] Em algumas realizações, o permeado compreende açúcares de peso molecular baixo em uma quantidade que corresponde a cerca de 5% em peso a cerca de 20% em peso, com base no peso total do permeado. Em uma realização alternativa, a separação da mistura de produto de hidrólise fornece o permeado aquoso que compreende cerca de 80% em peso de um peso total dos açúcares de peso molecular baixo presentes na mistura de produto de hidrólise.

[037] De acordo com uma realização, o permeado compreende glicose, xilose, arabinose e manose como os componentes de açúcar de peso molecular baixo. Em uma segunda realização, o permeado compreende os açúcares de peso molecular baixo glicose e xilose como os principais componentes de açúcar de peso molecular baixo, juntamente com quantidades menores de arabinose e manose. Em qualquer uma das duas realizações anteriores, o permeado é definido como compreendendo os açúcares de peso molecular baixo glicose e xilose.

[038] Na maioria das realizações, a solução de permeado aquosa produzida pela separação da mistura de produto de hidrólise através da membrana de exclusão por tamanho é substancialmente livre (contém menos do que 1%) do catalisador de enzima que hidrolisa celulose, enquanto é também substancialmente livre (contém menos do que 0,1%) do tensoativo não iônico. Em contraste, o retentado contém substancialmente todo o catalisador de enzima que hidrolisa celulose e o tensoativo não iônico presentes na mistura de produto de hidrólise sendo submetida à etapa de separação por membrana. Deve ser notado que perdas do catalisador de enzima que hidrolisa celulose podem ocorrer durante outras etapas opcionais, por exemplo, durante o tratamento da mistura de produto de hidrólise em um dispositivo de separação de sólido e líquido. Em uma realização, o retentado compreende pelo menos cerca de 80% do catalisador de enzima que hidrolisa celulose inicialmente presente durante o contato entre a mistura de suprimento e o catalisador de enzima que hidrolisa celulose. Em uma realização alternativa, o retentado compreende pelo menos cerca de 90% do catalisador de enzima que hidrolisa celulose inicialmente presente durante o contato entre a mistura de suprimento e o catalisador de enzima que hidrolisa celulose. Em ainda outra realização, o retentado compreende pelo menos cerca de 95% do catalisador de enzima que hidrolisa celulose inicialmente presente durante o contato entre a mistura de suprimento e o catalisador de enzima que hidrolisa celulose.

[039] Diferentes técnicas estão disponíveis para determinar tanto a quantidade de catalisador de enzima que hidrolisa celulose quanto o nível de tensoativo não iônico presentes no retentado. Como um exemplo, a quantidade de catalisador de enzima pode ser convenientemente determinada medindo-se a atividade catalítica do retentado em relação à atividade catalítica de uma quantidade conhecida de catalisador de enzima que hidrolisa celulose em um ensaio de hidrólise enzimática de celulose padrão conhecido por aqueles de habilidade comum na técnica.

[040] Em algumas realizações, o método desta invenção compreende adicionalmente uma etapa de concentrar o permeado para fornecer uma solução concentrada de açúcares de peso molecular baixo derivados do material celulósico. A solução concentrada pode ter preferencialmente uma concentração de açúcar molecular baixar em uma faixa de cerca de 15% em peso a cerca de 40% em peso, com base no peso total da solução concentrada. O permeado pode ser concentrado dividindo-se o mesmo através de uma segunda membrana de exclusão por tamanho que tem um corte de peso molecular menor do que 180. Sob tais circunstâncias, cerca de 90% dos açúcares de peso molecular baixo presentes no permeado não podem passar através da segunda membrana e permanecem em um segundo retentado. Em contraste, a água passa prontamente através da segunda membrana para fornecer um segundo permeado que consiste essencialmente em água adequada para a reutilização na preparação da mistura de suprimento de partida.

[041] As várias realizações de processo desta invenção podem ser executadas de vários modos diferentes. As mesmas podem ser praticadas como um processo em batelada, um processo semicontínuo ou um processo contínuo. Em uma ou mais tais realizações, o retentado que compreende o catalisador de enzima que hidrolisa celulose e o(s) tensoativo(s) não iônico{s) (o primeiro retentado descrito) é usado tanto como uma fonte de água para a mistura de suprimento quanto como uma fonte do catalisador de enzima que hidrolisa celulose (e tensoativo) usado para efetuar a hidrólise enzimática do material celulósico presente na mistura de suprimento. Outros aspectos desses diferentes modos de processo são descritos no Pedido de Patente S.N. BR 10 2013 031319-0, referenciado acima.

[042] Em referência continuada à realização exemplificativa da Figura 1, o produto de hidrólise (algumas vezes referido como o “hidrolisado líquido”) 20 é direcionado a uma ou mais estações de filtração, descritas acima, brevemente. Assim, em alguns casos, o produto desejado pode ser direcionado através da etapa de microfiltração 22, etapa de ultrafiltração 24 e etapa de nanofiltração 26. Geralmente, os detalhes sobre cada um desses procedimentos de filtração são conhecidos na técnica. A microfiltração (MF) é um processo pelo qual os sólidos suspensos e colóides grandes são tipicamente rejeitados, enquanto os sólidos dissolvidos e as macromoléculas passam através da membrana. As membranas de MF são adequadas para a remoção dos sólidos suspensos totais (TSS), materiais floculentos e bactérias. Muitos fabricantes de membranas classificam suas membranas de MF de acordo com os tamanhos de poro nominais, que estão na faixa de aproximadamente 01 a 10 pm. Os processos de MF operam a uma pressão muito baixa, tipicamente 0,07 MPa (10 psi) ou menos. O retentado/material de sólidos residuais 28 pode ser tratado ou descartado de qualquer maneira apropriada.

[043] O produto líquido filtrado 30 - que contém também o catalisador de enzima e o tensoativo usados - é frequentemente direcionado a um segundo estágio de filtração 24, mencionado acima. Em algumas realizações específicas, o estágio 24 é um estágio de ultrafiltração, isto é, que usa uma membrana de ultrafiltração (UF). As membranas de UF são comumente usadas para reter materiais dissolvidos relativamente grandes (por exemplo, proteínas, amidos) e sólidos suspensos (por exemplo, colóides), enquanto permite que sais e compostos orgânicos dissolvidos menores permeiem. As membranas de UF são tipicamente classificadas por sua capacidade de reter componentes de tamanhos específicos dissolvidos em uma solução. Isso é referido como o corte de peso molecular (MWCO), que é definido como o menor peso molecular no qual pelo menos 90% do soluto é retido pela membrana. As membranas de UF geralmente têm valores de MWCO entre 1.000 e 300.000 Da; e diâmetros de poro na faixa de diversos nanômetros a 0,1 μ. Os processos de membrana de UF são amplamente usados na separação de proteína biofarmacêutica, clarificação de vírus e concentração de proteína do soro do leite e isolamento na indústria de laticínios. Os processos de UF operam tipicamente (mas nem sempre) a pressões na faixa de 0,1 a 0,69 MPa (15 a 100 psi). Em algumas realizações específicas, um filtro de ultrafiltração de cerca de 3 a 5 Da (MWCO) deve ser usado.

[044] O uso da membrana de UF é muito vantajoso. Isso é devido, em parte, por causa da revelação pelos presentes inventores de que uma membrana de UF, por exemplo, uma que tem uma dimensão de MWCO de cerca de 3 a 10 Da, pode acentuar significativamente a recuperação tanto do catalisador de enzima quanto do(s) tensoativo(s). Embora os inventores não se atenham a qualquer teoria particular, parece que a recuperação dos tensoativos quando a mistura de produto é passada através de uma membrana de UF revelou-se relativamente alta, devido à formação de micelas. As membranas de UF permitem a passagem de uma quantidade significativa de monômeros de tensoativo, mas rejeitam micelas quase completamente.

[045] Em referência continuada à Figura 1, o produto de açúcar de peso molecular baixo desejado 32 pode ser transportado para outra estação de filtração, por exemplo, o estágio de nanofiltração 26. Entretanto, a mistura recuperada 34, que compreende as enzimas e tensoativos reciclados, pode ser reciclada e direcionada, por exemplo, de volta para o estágio de hidrólise 14.

[046] A etapa de nanofiltração (NF) 26 é também geralmente conhecida na técnica. A nanofiltração é tipicamente usada para remover íons multivalentes e moléculas pequenas na faixa de nanômetros, por exemplo, açúcares e íons de sulfato. As membranas de NF podem separar pequenos compostos, tais como sais e moléculas orgânicas pequenas. As membranas são comumente usadas para permear íons monovalentes, enquanto retêm íons bivalentes. Em processos de NF, sais com ânions bivalentes, por exemplo, sulfato, têm taxas de rejeição na faixa de 90% a mais do que 99%, enquanto que sais com ânions monovalentes (por exemplo, cloreto de sódio) têm taxas de rejeição de 20 a 80%. As pressões operacionais dos processos de NF estão tipicamente na faixa de cerca de 0,34 a 1,55 MPa (50 a 225 psi).

[047] Conforme ilustrado na Figura 1, o permeado de produto da etapa de nanofiltração 26 é uma solução de açúcares concentrados. Conforme mencionado acima, a solução concentrada pode ter preferencialmente uma concentração de açúcar molecular baixa em uma faixa de cerca de 15% em peso a cerca de 40% em peso. A água 38 passa prontamente através da membrana de nanofiltração para fornecer um segundo permeado que consiste essencialmente em água adequada para a reutilização na preparação da mistura de suprimento de partida.

[048] Os presentes inventores revelaram que o uso dos tensoativos não iônicos pode aumentar a eficácia de hidrólise por pelo menos cerca de 10%, especialmente quando o material celulósico compreende porções significativas de lignina. Novamente, embora uma teoria específica não seja comprovada, parece que os tensoativos reduzem significativamente a afinidade das enzimas de processo para lignina. Ademais, comparações nos exemplos que seguem demonstram que o uso dos tensoativos pode aumentar a recuperação de enzima por pelo menos cerca de 24% e, em alguns casos, mais do que cerca de 40%. As enzimas mostraram ainda ser eficazes após pelo menos 3 ciclos de reutilização. Essas características representam vantagens muito importantes para o processo de hidrólise geral -especialmente em vista do custo de catalisadores de enzima customizados. Além disso, um benefício adicionado reside no fato de que os próprios tensoativos podem ser recuperados para uso, conforme notado acima.

[049] A Figura 2 retrata outra realização exemplificativa da invenção, em termos de processo de sistema (50). Assim, o método compreende contatar uma mistura de suprimento 52 que compreende água (não mostrada) e um material celulósico 54 com um catalisador de enzima que hidrolisa celulose 56, na presença de pelo menos um tensoativo não iônico 58. (Os materiais nos recipientes são retratados de modo simples nas figuras). O contato pode ser executado em um recipiente adequado, tal como um reator de tanque agitado 60, equipado com um agitador 62. Ao longo do tempo, a mistura de suprimento é convertida a uma mistura de produto de hidrólise 64 que compreende água (não mostrada), o catalisador de enzima 56, o tensoativo 58 (um ou mais tensoativos); e um ou mais açúcares de peso molecular baixo (não mostrados) derivados do material celulósico.

[050] Em referência continuada à Figura 2, a passagem do tempo é indicada pela seta 66. Em processo em batelada, a conversão hidrolítica da mistura de suprimento 52 para a mistura de produto de hidrólise 64 ocorre ao longo de um período de tempo na faixa de diversas horas a diversos dias a uma ou mais temperaturas em uma faixa de cerca de 20 °C a cerca de 80 °C. Sob tais circunstâncias, a quantidade do material celulósico consumido pode estar na faixa de uma conversão quase quantitativa a uma conversão parcial.

[051] Em qualquer estágio durante a conversão do material celulósico no produto, açúcares de peso molecular baixo, a mistura de produto de hidrólise 64 pode ser transferida para um separado de sólido e líquido 68. Aqui, a mistura de produto de hidrólise é separada em sólidos celulósicos recuperados 70 e a mistura de produto de hidrólise da qual os sólidos foram removidos. Na Figura 2, a transferência da mistura de produto de hidrólise 64 para o separado de sólido e líquido 68 é indicada pela seta 72. A mistura de produto de hidrólise da qual os sólidos foram removidos é indicada pelo elemento 74. Conforme será apreciado por aqueles de habilidade comum na técnica, os sólidos celulósicos recuperados 70 podem ser reciclados e usados na mistura de suprimento inicial.

[052] Conforme adicionalmente mostrado na Figura 2, a mistura de produto de hidrólise 64, da qual os sólidos foram removidos, é, então, carregada em um recipiente de separação por membrana 76, em que a mistura de produto de hidrólise é separada através de uma membrana de exclusão por tamanho 78, que tem tipicamente um corte de peso molecular em uma faixa de cerca de 200 daltons a cerca de 2000 daltons, para fornecer o permeado 80, que sai do recipiente de separação por membrana 76 por meio da saída de permeado 82. A porção da mistura de produto de hidrólise 64 que atravessa a membrana constitui o permeado 80, que compreende água e um ou mais açúcares de peso molecular baixo (por exemplo, glicose). O permeado 80 pode, algumas vezes, ser referido no presente documento como “um permeado aquoso” e/ou “o permeado aquoso”. A porção da mistura de produto de hidrólise 64 que não atravessa a membrana é referida como retentado 84, que compreende um ou mais açúcares de peso molecular baixo (não mostrados), o catalisador de enzima que hidrolisa celulose 56 e o(s) tensoativo(s) não iônico(s) 58. Conforme notado em outra parte no presente documento, as quantidades relativas de água e açúcares de peso molecular baixo é a mesma tanto no permeado quanto no retentado. Entretanto, a maior parte do açúcar de peso molecular baixo e água pode ser ultimamente contida no permeado maximizando-se o volume do permeado, enquanto minimiza o volume do retentado produzido na etapa de separação. Assim, por exemplo, o recipiente de separação de membrana 76 pode ser equipado com válvulas (como uma adaptada para a saída de retentado 77), que limitam a taxa na qual o retentado sai do recipiente de separação de membrana, em relação à taxa na qual o permeado pode sair do recipiente de separação de membrana. O elemento 86 representa os níveis de líquido nos reatores de tanque agitado e recipientes de separação de membrana 76 e é mostrado na figura para propósitos de referência.

[053] O sistema e o processo estabelecidos na Figura 2 (assim como na Figura 1) representam apenas diversas realizações ilustrativas. O pedido de patente referenciado (Brasil) BR 10 2013 031319-0 descreve outras realizações que são abrangidas pelo escopo da presente invenção, quando combinadas com outros recursos descritos no presente documento. Como uma alternativa não limitante à Figura 2, tanto a conversão da mistura de suprimento 52 à mistura de produto de hidrólise 64 quanto a divisão da mistura de produto de hidrólise no permeado 80 e retentado 84 poderíam ser executadas em um único recipiente, por exemplo, o reator de tanque agitado 60.

Exemplos [054] Os exemplos a seguir ilustram métodos e realizações em conformidade com a invenção. A não ser que especificado de outra maneira, todos os ingredientes podem estar comercialmente disponíveis junto a tais fornecedores de produtos químicos comuns como Alpha Aesar, Inc. (Ward Hill, Mass.), Sigma Aldrich (St. Louis, Mo., EUA), Spectrum Chemical Mfg. Corp. (Gardena, Calif., EUA) e similares. Os catalisadores de enzima que hidrolisa celulose foram obtidos junto à Sigma-Aldrich (Celobiose a partir de Aspergillus niger ou Novozyme 188 e Celulase a partir de Aspergillus sp. ou Carezyme 1000L®).

[055] Testes de permeação de membrana de folha plana foram conduzidos em bancadas de teste de fluxo cruzado de folha plana. Água purificada por osmose inversa (RO) (algumas vezes referida no presente documento como “água permeada RO”) e que tem uma condutividade menor do que 10 /cm foi usada para preparar a mistura de suprimentos para testes de desempenho de membrana. A água permeada RO foi gerada passando-se (Niskayuna, Nova York) água municipal através de uma unidade de RO comercialmente disponível. As amostras de teste de membrana foram cortadas em pedaços retangulares de 5,08 centímetros por 15,24 centímetros (2 polegadas por 6 polegadas) e carregadas em células de teste de fluxo cruzado. Três ou mais cupons de cada experimento foram testados sob as mesmas condições e se calculou a média dos resultados obtidos para obter a média e o desvio padrão.

Exemplo 1 [056] Os testes de recuperação de catalisador de enzima foram conduzidos com uma solução preparada a partir da solução de celobiose Sigma-Aldrich (187,5 ml) e da solução de celulase Sigma-Aldrich (187,5 ml) dispersas em 37,85 I (10 galões) de água deionizada. A atividade medida da solução de catalisador de enzima que hidrolisa celulose foi 42,7 FPU/ml. Quatro membranas de ultrafiltração (UF) que têm valores de corte de peso molecular (valores de MWCO) de 5.000, 8.000, 10.000 e 20.000 foram obtidas junto à GE Water and Process Technologies, Trevose, Pensilvânia, EUA. Adicionalmente, duas membranas de nanofiltração (NF) do tipo DK e DL foram também obtidas junto à GE Water and Process Technologies e testadas.

[057] Durante os experimentos de recuperação de enzima, as amostras de membrana foram primeiro preparadas circulando-se água pura através das membranas nas células de testa por trinta minutos sem reciclar o permeado. Depois, a solução do catalisador de enzima que hidrolisa celulose que tem 42,7 FPU/ml de nível de atividade foi circulada através das membranas a uma pressão operacional especificada e 25°C. Após uma hora de operação, amostras de permeado foram coletadas por 4 ou 5 minutos. A taxa de fluxo cruzado de cada par de células foi estabelecida a 3,79 l/min (1,0 galão por minuto (gpm)) com o uso dos valores e medições de fluxo correspondentes. O permeado foi coletado em um cilindro graduado. O peso do permeado foi medido com o uso de uma balança Navigator e um cronômetro Fisher Scientific foi usado para a temporização.

[058] O fluxo de membrana foi calculado com base no peso de permeado, tempo de coleta, área da membrana e pressão de transmembrana. As atividades enzimáticas do retentado e das soluções de permeado foram determinadas por análise de atividade enzimática com o uso de métodos padrão (B. Adney e J. Baker “Measurement of Cellulase Activities, Laboratory Analytical Procedure (LAP)”, NREL/TP-510-42628, janeiro de 2008), que foram, por sua vez, usados para calcular a retenção de enzima.

[059] No presente caso, os inventores estudaram o efeito de utilizar tensoativos não iônicos, conforme descrito acima, durante o processo de hidrólise. Conforme mostrado abaixo, tensoativos seletivos tiveram um efeito diferente sobre as duas enzimas principais presentes em um “coquetel” de celulases comercial (Fpase e beta-glicosidases). A Fpases são celulares mais endo-atuantes, enquanto as beta-glicosidases são celulares exo-atuantes.

Isso significa que as Fpases são responsáveis por quebrar grandes moléculas de celulose em moléculas pequenas, enquanto as beta-glicosidases são aquelas enzimas essenciais para produzir moléculas de glicose livres por quebra das ligações de glicose-glicose finais em oligômeros de celulose pequenos. Os resultados experimentais iniciais saem nenhuma adição de tensoativo são apresentados na Tabela 1. Os resultados de recuperação de proteína e enzimas foram calculados, com base na quantidade de proteína e as atividades enzimáticas medidas encontradas no retentado da etapa de separação por UF usada para separar o líquido gerado a partir da etapa de separação de sólido/líquido. Uma membrana de UF de MWCO de 10 kDa foi usada para esses testes.

Tabela 1: Recuperação da Atividade Enzimática e de Proteína Cifra da Tabela: Prot rec = Quantidade de proteína recuperada, no final do processo, após passar através da membrana % de recuperação = porcentagem de recuperação, em cada coluna indicada Fpase rec = Quantidade de proteína recuperada, no final do processo, após passar através da membrana B-gluc rec = Quantidade de proteína recuperada, no final do processo, após passar através da membrana [060] Os dados da Tabela 1 indicam que 16,48% de proteína são recuperados sem adição de tensoativo. Além disso, 4,59% e 57,56% de Fpases (medidas como atividade de FPU) e beta-glicosidases (medidas como atividade de IU) foram respectivamente obtidos. Fica caro que a absorção de enzima afeta as Fpases mais que as beta-glicosidases. Deve-se enfatizar que, nas realizações preferenciais, ambas as enzimas são essenciais para manter o desempenho operacional ideal durante o processo de hidrólise enzimática.

Exemplo 2 [061] Testes adicionais foram executados com o uso do tensoativo não iônico Tween® 80, descrito anteriormente. O objetivo aqui foi determinar o efeito do tensoativo sobre a eficácia de um processo de hidrólise enzimática, assim como seu efeito sobre a recuperação de enzima durante o processo de separação por membrana de UF. O processo de hidrólise padrão descrito acima foi empregado, com as modificações adicionais (adição de tensoativo) mostradas na Tabela 2, abaixo.

Tabela 2. Comparação do Processo de Hidrólise Enzimática em Diferentes Níveis de Adição de Tensoativo Tween® 80* _ , . Glicose Produtividade (g glicose/L-h) Característica , „ v ________________________________________(g/L)______________________________________ Sem adição de tensoativo 50,3 1,05 Tween 80 (500 ppm) 50,4 1,05 Tween 80 (1.000 ppm) 58,5 1,22 *Condições finais após 48 h de hidrólise com o uso de 60 FPU por grama de bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado [062] A Tabela 2, acima, compara processos de hidrólise enzimática convencionais em que diferentes níveis do tensoativo indicado são usados (500 ppm e 1.000 ppm). Os dados indicam que não há diferença significativa entre o desempenho de hidrólise para uma concentração de 500 ppm do tensoativo e a aquele sem adição de tensoativo. Por outro lado, os dados mostraram que a adição do tensoativo, a 1.000 ppm, aumentou a produtividade da hidrólise em 16%, em comparação à situação em que nenhum tensoativo foi empregado.

Exemplo 3 [063] Estudos adicionais foram executados para medir o efeito da adição de tensoativos não iônicos sobre a recuperação de Fpases e beta-gticosidases. A Tabela 3 mostra o efeito de diferentes concentrações do tensoativo sobre a recuperação. (Os dados são baseados em um fator de recuperação do tensoativo Tween® indicado, em comparação à recuperação na ausência do tensoativo, arbitrariamente indicado como 1,0).

Tabela 3: Efeito da Adição de Tensoativo Tween® 80 na Recuperação de Fpases e Beta-Glicosidases Com o Uso de uma Membrana de UF(a’b) Característica Fpases Beta-Glicosidases Sem Adição de Tensoativo 1 1 Tween® 80 (500 ppm) 3,8 1,47 Tween® 80 (1.000 ppm) 8,1 1,96 <a) Dimensão da membrana de 10 kDa de MWCO <b) Hidrólise de 48 horas com o uso de 60 FPU por grama de bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado [064] Os dados da Tabela 3 mostram que a adição de tensoativos não iônicos tem um efeito substancialmente benéfico sobre a recuperação de Fpases e beta-glicosidases. Quando comparado ao caso de nenhuma adição de tensoativo e 1.000 ppm de tensoativo, nota-se que a recuperação de enzimas Fpases foi aumentada em um fator de 8, enquanto as beta-glicosidases aumentaram em um fator de cerca de 4.

[065] Os resultados sumarizados nas Tabelas 2 e 3 demonstram que a adição de tensoativos aumenta a disponibilidade enzimática durante o processo de hidrólise, assim como intensifica a recuperação de enzimas durante os processos a jusante subsequentes (separação de sólido/líquido e tratamento com membrana de UF). Como um exemplo, os dados experimentais mostraram que as membranas UF retiveram de 70 a 90% de proteína na corrente de alimentação (independentemente da concentração de tensoativo ou da presença ou ausência dos tensoativos).

[066] No entanto, a adição dos tensoativos, conforme descrito acima, forneceu o benefício importante e adicional de mantar mais enzimas no meio líquido, em vez de ser adsorvidas ao componente de lignina. Além disso, uma retenção de enzima mais eficaz pelas membranas UF pode, por sua vez, levar a processos de hidrólise mais eficazes. Em geral, os presentes inventores revelaram que o efeito sinergético de combinar o uso de tensoativos não iônicos e o uso de membranas especializadas resultou em eficácia de processo aumentada e custos operacionais reduzidos, devido ao uso de enzimas reduzido. Esses atributos são especialmente notáveis para processos comerciais que usam hidrólise enzimática, por exemplo, a produção de etanol celulósico e outros produtos bioquímicos.

Exemplo 4 [067] Experimentos adicionais foram realizados a fim de avaliar o processo de recuperação de celulases com base na enzima FPase, empregando três tensoativos diferentes durante a etapa de hidrólise enzimática. Os resultados quando nenhum tensoativo foi empregado foram comparados com os níveis de tensoativo de 500 ppm e 2.000 ppm. Um sistema em escala laboratorial foi construído, de acordo com o projeto geral representado na Figura 1. Em geral, o objetivo foi avaliar a reciclagem e o reuso de enzimas celulósicas a partir da fase líquida de bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado, com o uso de tensoativos em hidrólise enzimática.

[068] O “coquetel” celulósico empregado foi uma mistura comercial de polietilenoglicol (PEGtm4000), Pluoronic®F-68 (100X) e Tween®80. As membranas usadas para microfiltração e para a recuperação de celulases foram produtos Vivaspin Sartoriustm (10.000 MWCO PS).

[069] A Tabela 4 apresenta os níveis de recuperação para FPase, durante o uso dos diferentes tipos de tensoativos. (Execução 1 e Execução 2 referem-se a experimentos duplicados).

Tabela 4. Recuperação de FPase Durante a Hidrólíse Enzimática de Bagaço de Cana de açúcar Pré-tratado* Tipo Execução 1 Execução 2 Média Desvio padrão Polietileno Glicoi __ _ . (PEG,m4000) 32,7 40,0 36,4 5,1 Pluoronic®F-68 (100X) 38,2 33,9 36,0 3,0 Tween® 80 34,3 39,7 37,0 3,8 Sem tensoativo 27,4 19,6 23,5 5,5 * Recuperação de FPase para 500 ppm de tensoativo [070] A Tabela 5 apresenta os níveis de recuperação para FPase, durante o uso de diferentes tipos de tensoativos, a uma concentração mais alta de tensoativo, em comparação aos experimentos para a Tabela 4. (Execução 1 e Execução 2 referem-se a experimentos duplicados).

Tabela 5. Recuperação de FPase Durante a Hidrólíse Enzimática de Bagaço de Cana de açúcar Pré-tratado* Tipo Execução 1 Execução 2 Média Desvio padrão Polietileno Glicoi _____ 44,9 43,3 44,1 1,2 (PEG* 4000) Pluoronic® F-68 (100X) 43·5 31'3 37'4 8’6 Tween® 80 37,5 38,0 37,8 0,4 Sem tensoativo 32,8 23,6 28,2 6,6 * Recuperação de FPase por 2.000 ppm de tensoativo [071] Os dados nas Tabelas 4 e 5 mostram que, em cada ocorrência, a adição do tensoativo indicado aumentou significativamente a quantidade de recuperação de enzima. Uma recuperação de até cerca de 40% da atividade de FPase foi evidente, sob as condições definidas para os experimentos. Isso se compara bastante favoravelmente a uma taxa de recuperação de cerca de 25%, na ausência de tensoativos.

[072] Embora apenas determinados recursos da invenção tenham sido ilustrados e descritos no presente documento, muitas modificações e alterações ocorrerão àqueles versados na técnica. Portanto, deve ser entendido que as reivindicações anexas se destinam a cobrir todas tais modificações e alterações abrangidas pelo verdadeiro espírito da invenção.

Claims (15)

1. MÉTODO PARA HiDROLISAR UM MATERIAL CELULÓSICO, caracterizado pelo fato de que compreende: a) contatar uma mistura de suprimento que compreende água e um material celulósico com um catalisador de enzima que hidrolisa celulose e um tensoativo não iônico para produzir uma mistura de produto de hidrólise que compreende água, o catalisador de enzima e o tensoativo não iônico e um ou mais açúcares de peso molecular baixo do material celulósico; e b) direcionar o produto de hidrólise através de uma membrana para fornecer uma solução de permeado aquosa que compreende um ou mais açúcares de peso molecular baixo derivados do material celulósico e um retentado que compreende o catalisador de enzima e o tensoativo não iônico; em que a membrana em um corte de peso molecular em uma faixa de cerca de 200 a cerca de 2.000; em que a solução de permeado é substancialmente livre do catalisador de enzima e do tensoativo não iônico; e em que o retentado é substancialmente esgotado em açúcares de peso molecular baixo derivados do material celulósico; e compreende substancialmente todo o catalisador de enzima e o tensoativo não iônico.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material celulósico compreende lignina; e o tensoativo não iônico tem a capacidade de diminuir a adsorção do catalisador de enzima pela lignina.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tensoativo não iônico é selecionado dentre copolímeros de poloxâmero; (ii) ésteres de ácido graxo de polioxietileno sorbitano; e (iii) compostos de polialquileno glicol que têm um peso molecular médio na faixa de cerca de 300 g/mol a cerca de 20.000 g/moi.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os copolímeros de poioxâmero da categoria (i) compreendem copolfmeros tribloco não iônicos formados de uma cadeia hidrofóbica central de polioxipropileno em uma posição de ligação entre as cadeias hidrofílicas de polioxietileno.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a categoria (ii) é um monooleato.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os compostos de polialquileno glicol da categoria (iii) têm um peso molecular na faixa de cerca de 2.000 g/mol a cerca de 8.000 g/mol.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material celulósico é selecionado a partir do grupo que consiste em bagaço de cana de açúcar, palha de cana de açúcar, restos culturais do milho, miscanthus, cana-energia, cana gigante, painço amarelo, misturas de gramas, lascas de madeira, serragem e misturas que compreendem dois ou mais dos materiais celulósicos anteriores.

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material celulósico está inicialmente presente na mistura de suprimento em uma quantidade que corresponde a cerca de 5% em peso a cerca de 20% em peso, com base no peso inicial total da mistura de suprimento e no peso seco do material celulósico.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a mistura de suprimento é contatada com o catalisador de enzima e o tensoativo não iônico a uma temperatura na faixa de cerca de 20 a cerca de 80°C.

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser executado como um processo contínuo.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser executado como um processo em batelada.

12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser executado como um processo semicontínuo.

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o permeado compreende açúcares de peso molecular baixo em uma quantidade que corresponde a cerca de 5 por cento em peso a cerca de 20 por cento em peso, com base no peso total do permeado.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa de concentrar o permeado para fornecer uma solução concentrada de açúcares de peso molecular baixo derivados do material celulósico, sendo que a solução concentrada tem uma concentração de açúcar molecular baixa em uma faixa de cerca de 15 por cento em peso a cerca de 40 por cento em peso com base no peso total da solução concentrada.

15. MÉTODO PARA PREPARAR ETANOL, caracterizado pelo fato de que compreende a etapa de submeter pelo menos um açúcar de peso molecular baixo à fermentação, em que o açúcar de peso molecular baixo é formado através da hidrólise de um material celulósico a) contatando-se uma mistura de suprimento que compreende água e um material celulósico com um catalisador de enzima que hidrolisa celulose e um tensoativo não iônico para produzir uma mistura de produto de hidrólise que compreende água, o catalisador de enzima e o tensoativo não iônico e um ou mais açúcares de peso molecular baixo do material celulósico; e b) direcionando-se o produto de hidrólise através de uma membrana para fornecer uma solução de permeado aquosa que compreende um ou mais açúcares de peso molecular baixo derivados do material celulósico e um retentado que compreende o catalisador de enzima e o tensoativo não iônico; em que a membrana em um corte de peso molecular em uma faixa de cerca de 200 a cerca de 2.000; em que a solução de permeado é substancialmente livre do catalisador de enzima e do tensoativo não iônico; e em que o retentado é substancialmente esgotado em açúcares de peso molecular baixo derivados do material celulósico; e compreende substancialmente todo o catalisador de enzima e o tensoativo não iônico.