WO2011127545A1 - Processo para a produção de etanol a partir de biomassa residual oriunda da indústria de celulose - Google Patents

Processo para a produção de etanol a partir de biomassa residual oriunda da indústria de celulose Download PDF

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WO2011127545A1
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ethanol
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reaction vessel
solvent
microorganism
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Luiz André Felizardo Silva SCHLITTLER
Luiz Claudio Souza Carlos
Edelvio De Barros Gomez
Neumara Luci Conceição SILVA
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    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
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    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Definitions

  • the present invention belongs to the field of chemical engineering and relates to a process for the production of ethanol from waste biomass from the pulp industry. More specifically, the present invention relates to a process for the production of ethanol in which the waste used as raw material is out of specification cellulosic fibers, subjected to enzymatic hydrolysis and simultaneous fermentation in a single reaction vessel. . The invention also deals with ethanol produced by this process.
  • Brazil entered biofuel technology in 1974, with the beginning of the National Alcohol Program - Proálcool. Automotive technological development and ethanol production have made Brazil the world's second largest producer of ethanol, being the country that consumes the most biofuel in the world.
  • Saccharomyces cerevisiae turning into ethyl alcohol or ethanol. This process is basically the same as that used for the production of cachaça.
  • the main tailings used as a source of pulp in this process are rice husks, sugarcane bagasse, saw dust, corn husks and woods such as eucalyptus, pine and others.
  • the first attempt to commercialize a process for the production of lignocellulosic biomass ethanol was made in Germany in 1898.
  • the process involved an acid hydrolysis step to saccharify the polysaccharides to their monomers.
  • the initial yield was 76 liters of ethanol per dry ton of wood, and was improved over the next few years, increasing the yield to about 190 liters of ethanol per ton of dry wood.
  • the process adopted was acid hydrolysis (dilute sulfuric acid or hydrochloric acid), and it was expected to produce 150 to 160 liters of ethanol per ton of dry wood, and various products.
  • the results were not satisfactory due to the difficulty of technology transfer, the type of wood used and the difficulties in the fermentation process. This caused the plant to be shut down shortly after its departure.
  • the first Brazilian patent documents concerning ethanol production processes from lignocellulosic biomass were: PI8000394-0 which describes an integral distillery for ethanol production from lignocellulosic plant components; PI8003554-0 relating to a process for the production of ethanol from vegetable waste and other cellulosic material; PI8102802-4 for an equipment and process for the production of ethanol by continuous acid hydrolysis of lignocellulosic components; PI8203026-0 relating to an improvement of the equipment and process described in PI8102802-4; PI8501790-6 concerning an integrated process for the production of ethanol and animal feed by explosive acid hydrolysis of enriched sugarcane bagasse; and Dedini S.A. owned documents PI8603984-9 and PI8602228-8, relating to processes for the production of ethanol and / or bleached raw cellulose.
  • cellulases enzymes, called cellulases, began to gain notoriety.
  • the use of cellulases to promote hydrolysis of cellulosic fibers has a number of advantages compared to chemical processes. Its highly specific performance allows to drive the system in a single direction, avoiding side reactions that form other products. Unlike inorganic acids, enzymatic hydrolysis does not generate compounds that cause inhibitory effects on the fermentation process.
  • US2008293109 and US2005233423 refer to processes for producing organic compounds based on SSF technology which employ microorganisms capable of degrading the plant cellulosic wall associated with fermentative microorganisms.
  • sugarcane bagasse lignocellulosic material
  • lignocellulosic material It is pretreated with a hydroalcoholic solution at elevated temperature and pressure for lignin solubilization to occur.
  • the resulting pulp from this pretreatment is washed with water to remove hemicellulose.
  • the cellulose thus obtained is then saccharified with cellulolytic agents (cellulases) to obtain the monomeric sugars. Finally, these are fermented for ethanol production.
  • the present invention pertains to the field of chemical engineering, having as its main object a process for the production of ethanol from waste biomass from the pulp industry, without prior treatment, obtained after processing wood for the production of pulp in that the steps of saccharification by enzymatic hydrolysis and fermentation occur simultaneously in a single reaction vessel.
  • the second object of this invention is ethanol produced by the use of a process for the production of ethanol from waste biomass from the pulp industry, without prior treatment, obtained after processing wood for the production of pulp, wherein the steps of saccharification by enzymatic hydrolysis and fermentation occur simultaneously in a vessel unique reactionary.
  • Figure 1 Scheme containing the steps of the wood fiber residual fiber generation process for the production of pulp.
  • FIG. 1 Block diagram of the simultaneous saccharification and fermentation process (SSF);
  • Figure 3 Kinetic profile of the ethanol production process after simultaneous occurrence of saccharification by enzymatic hydrolysis and fermentation in a single reaction vessel; where: (A) prehydrolysis, (B)
  • the enzymatic hydrolysis saccharification and fermentation steps occur in batch and simultaneously; being performed in a single reaction vessel; where are added:
  • Residual biomass is the waste generated in the pulp production process, more specifically after the
  • cellulose fibers that do not meet the size and quality specifications are separated from the product mass and assembled as a fibrous, cellulose-rich material containing less than 5% hemicellulose and in maximum 10% lignin.
  • Solvent is that substance that allows the extraction of another substance in intimate contact, preferably a liquid.
  • Buffering agent is that substance, usually formed by the association between a weak acid and a salt of this acid, which when added to the medium is capable of maintaining the pH stability of the system, or with minimal variability, thus making the medium more appropriate, in terms of pH, for the development of both enzymatic and biological processes.
  • Cellulases correspond to a complex formed by different enzymes called endoglucanase, exoglucanes, D-glucosity and cellobiohydrolase, which acting in synergy are able to degrade cellulose to structures of less molecular complexity such as cellodextrins, cellobiose and glucose.
  • Fermenting agent is the microbial living cell capable of converting glucose to ethanol, and may be from the realm of fungi or bacteria, naturally occurring or genetically modified. bacteria of the species Zymomonas mobilis.
  • the ethanol production process of this invention begins by adding the residual biomass and solvent in a reaction vessel at the ratio of residual biomass to solvent volume of 1: 1.5 (w / v) to 1:15 (w / v); preferably the weight / volume ratio of 1: 2 (w / v) to 1: 8 (w / v) is employed. Still
  • the solvent employed in this process is water.
  • an acidic solution should be added to the reaction system to adjust the pH of the medium.
  • the pH of the reaction medium should be between 4.0 and 6.5; more specifically, it should be from 4.8 to 5.8.
  • a buffering agent should be added in order to keep the pH within a range suitable for the process.
  • This buffer can be composed, preferably by the following chemicals: monosodium citrate, disodium citrate, sodium bicarbonate, potassium carbonate, tetrapirophosphate, sodium acetate, calcium phosphate and ammonia, but not limited to such components.
  • Enzymatic hydrolysis occurs by the addition of the multi-enzyme preparation to said reaction medium at a final concentration of 5 FPU / g to 40 FPU / g. Initially, enzymatic hydrolysis occurs at a temperature of from 22 ° C to 55 ° C; under stirring at 100 to 400 rpm; for a period of time ranging from 8 to 24 hours. Preferably, the reaction takes place at a temperature of from 40 ° C to 50 ° C; under 150 to 300 rpm rotation; for 10 to 18h.
  • the cellulosic fraction that constitutes the residual biomass is saccharified.
  • the cellulose concentration in the reaction medium becomes gradually lower and the monosaccharide and disaccharide concentrations become gradually higher.
  • the second stage of the ethanol production process object of this invention begins by adjusting the temperature of the reaction vessel to enable the introduction, survival and increased fermentative efficiency of the microorganism to be introduced. This process step should then occur at a temperature
  • the microorganism introduced into the reaction vessel must be present in the system at a concentration
  • the concentration of the fermentative microorganism is 2 to 20 g / l.
  • the fermentative microorganisms that may be employed in this invention are yeasts of the species
  • Saccharomyces cerevisiae bacteria of the species Zymomonas mobilis; and / or genetically modified strains thereof.
  • the fermentation process will occur simultaneously with enzymatic hydrolysis (saccharification) and should occur for a maximum of 72 hours; owing
  • the final concentration of sugars and ethanol in the medium are obtained between 0 and 20 g / L and between 40 and 120 g / L respectively.
  • the last step of this process is the recovery of the ethanol produced from the reaction medium. Ethanol recovery can be performed
  • Ethanol object of this patent, is all that ethanol produced according to a production process carried out in a single reaction vessel, where are added:
  • Residual biomass is the waste generated in the pulp production process, more specifically after the
  • cellulose fibers that do not meet size and quality specifications are separated from the product mass and assembled as a fibrous, cellulose-rich material containing less than 5% hemicellulose and, maximum 10% lignin.
  • Solvent is that substance that allows the extraction of another substance in its intimate contact, being preferably a liquid.
  • Buffer is that substance, usually formed by the association between a weak acid and a salt of this acid, which when added to the medium is capable of maintaining the pH stability of the system or with minimal variability, thus making the medium more stable. appropriate in pH terms for the development of both enzymatic and biological processes.
  • Cellulases correspond to a complex formed by different enzymes, called: endoglucanase, exoglucanes, D-glucosity and cellobiohydrolase, which acting in synergy are able to degrade cellulose to structures of less molecular complexity (cellodextrins, cellobiose and glucose).
  • Fermenting agent is the living cell, of microbial nature, capable of converting glucose to ethanol, and may belong to the kingdom of fungi or bacteria, naturally occurring or genetically modified, being the most commonly used agents the yeast of the species.
  • Saccharomyces cerevisiae is the bacterium of the species Zymomonas mobilis and / or genetically modified strains of these organisms.
  • the first step of this process begins by adding the residual biomass and solvent in a reaction vessel; preferably, the solvent employed in this process is water.
  • the weight ratio of residual biomass to solvent volume should be between 1: 1 (w / v) at 1:15 (w / v); preferably the weight / volume ratio from 1: 2 (w / v) to 1: 10 (w / v) is employed.
  • an acidic solution should be added to the reaction system in order to moderately reduce the pH of the medium.
  • the pH of the reaction medium should be between 4.0 and 6.5; more specifically, it should be from 4.8 to 5.8.
  • a buffering agent should be added in order to keep the pH within a range suitable for the process. This buffer must be composed of
  • citrate preferably by the following chemicals: citrate
  • Enzymatic hydrolysis initially occurs at 22 ° C to 55 ° C; under stirring at 100 to 400 rpm; for a period of time ranging from 8 to 24 hours.
  • the reaction takes place at a temperature of from 40 ° C to 50 ° C; under 150 to 300 rpm rotation; for 10 to 18h.
  • the multi-enzyme preparation (cellulases) should be added to the reaction medium at the final concentration of 5 FPU / g to 40 FPU / g.
  • the cellulosic fraction that constitutes the residual biomass is saccharified.
  • the cellulose concentration in the reaction medium becomes gradually lower and the monosaccharide and disaccharide concentrations become gradually higher.
  • the object of this invention begins by adjusting the temperature of the reaction vessel to enable the introduction, survival and increased fermentative efficiency of the microorganism to be introduced.
  • the second process step should then take place at a temperature of 25 ° C to 40 ° C; it should preferably remain between 35 ° C and 40 ° C.
  • the microorganism introduced into the reaction vessel must be present in the system at a concentration
  • the concentration of the fermentative microorganism is 2 to 20 g / l.
  • fermentative microorganisms that may be employed in this invention are yeasts of the species
  • Saccharomyces cerevisiae bacteria of the species Zymomonas mobilis; and / or genetically modified strains thereof.
  • the fermentation process will occur simultaneously with enzymatic hydrolysis (saccharification) and should occur for a maximum of 72 hours; owing
  • the final concentration of sugars and ethanol in the medium are preferably between 0 and 20 g / l and between 40 and 120 g / l respectively.
  • the last step of this process is the recovery of ethanol from the reactionary. Ethanol recovery can be accomplished using art-known practices such as distillation and membrane processes.
  • EXAMPLE Ethanol production from waste from the paper industry.
  • the residual biomass is added to the instrumented bioreactor in the ratio of 1 part solid (in kg) to 4 parts liquid (in liters).
  • the system After 16 hours, the system reaches a concentration of total reducing sugars from enzymatic hydrolysis of 65 g / L. At this point the temperature is reduced to 37 ° C and the microorganism of a commercial strain of Saccharomyces cerevisiae is inoculated into the reaction medium to reach a concentration of 4 g / l. At this moment, the saccharification process is effectively initiated simultaneously with fermentation. After 50 hours, since the beginning of biomass fermentation, the sugar concentration in the system is practically zero, and that of ethanol is 60 g / L. The ethanol produced was recovered by simple distillation.

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Abstract

A presente invenção pertence ao campo da engenharia química, tendo como objeto principal um processo para a produção de etanol a partir da biomassa residual oriunda da indústria de celulose, essa biomassa é processada em um vaso reacional único, onde a hidrólise enzimática e fermentação (sacarificação) ocorrerão de forma simultânea dentro de condições propícias. A invenção também trata do etanol produzido de acordo como processo aqui descrito.

Description

PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE ETANOL A PARTIR DE BIOMASSA RESIDUAL ORIUNDA DA INDÚSTRIA DE CELULOSE CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção pertence à área da engenharia química e refere-se a um processo para a produção de etanol a partir da biomassa residual oriunda da indústria de celulose. Mais especificamente, a presente invenção refere-se a um processo para a produção de etanol em que o resíduo utilizado como matéria-prima trata-se de fibras celulósicas fora da especificação, submetidas à hidrólise enzimática e fermentação de forma simultânea em um vaso reacional único. A invenção também trata do etanol produzido por este processo.
ANTECEDENTES
O intenso uso de veículos automotores contribui para o aumento do efeito estufa. Uma das estratégias para a redução na emissão de gases poluentes é a substituição dos combustíveis fósseis por bicombustíveis. Neste contexto, o emprego do etanol como combustível para automóveis de passeio no Brasil, vem apresentando contribuição significativa para a redução das emissões de CO2 pelo país. Estima-se que entre 1975 e 1998 o uso do etanol como combustível no Brasil, possa ter evitado a emissão de 385 milhões de toneladas de CO2 para a atmosfera.
O Brasil entrou na tecnologia dos bicombustíveis em 1974, com o início do Programa Nacional do Álcool - Proálcool. O desenvolvimento tecnológico automotivo e da produção de álcool, transformou o Brasil no segundo maior produtor mundial de etanol, sendo o País que mais consome este biocombustível no mundo.
Atualmente, o Brasil emprega o álcool hidratado para mover automóveis movidos exclusivamente a álcool, automóveis bicombustíveis portadores da tecnologia Flex-fuel, além de também ser adicionado à gasolina na proporção de 25%. Somente a adição de etanol à gasolina proporciona uma redução de 11 % nas emissões de C02 para a
atmosfera. A maior parte do álcool produzido no País é proveniente da cana- de-açúcar, que após ser moída e prensada produz um caldo rico em glicose que é fermentado, geralmente por leveduras da espécie
Saccharomyces cerevisiae, se transformando em álcool etílico ou etanol. Este processo é basicamente o mesmo utilizado para a produção de cachaça.
Embora eficiente este processo tem produtividade limitada ao tempo da safra da cana-de-açúcar que não deve ser armazenada por muito tempo, para evitar a degradação natural do açúcar armazenado pela planta. Além disso, a única forma de aumentar a produção de álcool fica limitada ao aumento da área de plantio da cana-de-açúcar.
Uma alternativa para aumentar a produção de álcool sem a necessidade de se aumentar a área de plantio decorre do
desenvolvimento de processos de produção de etanol a partir de matérias ricas em compostos lignocelulósicos, provenientes da agroindústria e da indústria madeireira. Os principais rejeitos empregados como fonte de celulose neste processo são a casca de arroz, o bagaço de cana-de- açúcar, pó de serra, palha de milho e madeiras como eucalipto, pinheiros e outros.
A primeira tentativa de se comercializar um processo para a produção de etanol de biomassa lignocelulósica foi feita na Alemanha em 1898. O processo envolvia uma etapa de hidrólise ácida para sacarificar os polissacarídeos aos seus monômeros. O rendimento inicial era de 76 litros de etanol por tonelada seca de madeira, sendo aperfeiçoado, nos anos seguintes, proporcionando o aumento da rentabilidade para cerca de 190 litros de etanol por tonelada de madeira seca.
O Brasil procurou tecnologias para a produção de álcool a partir da celulose no final da década de 1970. Na ocasião, optou-se por uma tecnologia ofertada pela ex-União soviética, que se apresentou como detentora de grande experiência já consagrada. Deu-se o início ao projeto Coalbra (Coque e álcool de madeira S/A), implantado em Uberlândia. Em 1980, fora instalada uma usina experimental com capacidade de 30 mil litros por dia, utilizando a floresta de eucalipto existente no triângulo mineiro.
O processo adotado foi o de hidrólise ácida (ácido sulfúrico ou clorídrico diluído), e previa-se a produção de 150 a 160 litros de etanol por tonelada de madeira seca, e vários produtos. Os resultados, porém, não foram satisfatórios devido à dificuldade de transferência da tecnologia, ao tipo de madeira utilizada e às dificuldades no processo fermentativo. Isto causou a desativação da usina pouco tempo após sua partida.
Os primeiros documentos de patente Brasileiros referentes a processos de produção de etanol a partir da biomassa lignocelulósica foram: PI8000394-0 que descreve uma destilaria integral para produção de etanol a partir de componentes vegetais lignocelulosicos; PI8003554-0 referente a um processo de produção de etanol a partir de resíduos vegetais e outros materiais celulósicos; PI8102802-4 referente a um equipamento e processo para a produção de etanol por hidrólise ácida contínua dos componentes lignocelulosicos; PI8203026-0 referente a um aperfeiçoamento do equipamento e processo descritos no PI8102802-4; PI8501790-6 referente a um processo integrado para a produção de etanol e ração animal por hidrólise ácida explosiva do bagaço da cana-de- açúcar enriquecido; e os documentos PI8603984-9 e PI8602228-8 de titularidade da Dedini S.A., referentes a processos de produção de etanol e/ou celulose bruta branqueada.
Entretanto, a tecnologia de hidrólise ácida dos compostos lignocelulosicos vem sendo abandonada, tanto por motivos ambientais, como por motivos técnicos, visto que a ação de ácidos sobre os materiais lignocelulósico tem como consequência a geração de inibidores do processo biológico (furfural, hidroximetilfurfural e derivados fenólicos da lignina), que são subprodutos da ação térmica sobre os açúcares e apresentam características tóxicas ao metabolismo microbiano.
Com o avanço da ciência, a biotecnologia ganhou um papel importante no desenvolvimento de novas fontes de energia. A utilização de enzimas, chamadas celulases, começou a ganhar notoriedade. O uso das celulases na promoção da hidrólise das fibras celulósicas tem uma série de vantagens quando comparado aos processos químicos. Sua atuação altamente específica permite conduzir o sistema em uma direção única, evitando reações laterais que formam outros produtos. Ao contrário dos ácidos inorgânicos, a hidrólise enzimática não gera compostos que causam efeitos inibitórios no processo fermentativo.
No entanto, existem implicações na utilização de celulases como o longo tempo de processo, quando comparado aos processos químicos, o elevado custo e a complexidade de seu processo de produção, manuseio, armazenamento e pelo efeito inibitório que sofre com o aumento da concentração de seu produto de hidrólise. Mas, soluções vêm sendo implementadas para solucionar tais obstáculos. Para esta última implicação foi desenvolvida uma estratégia de processamento, conhecida por
"Sacarificação e Fermentação Simultânea" ou pela sigla SSF, que advém da expressão da língua inglesa Simultaneous Saccharification and
Fermentation.
Os documentos de patente US2008293109 e US2005233423 referem-se a processos de produção de compostos orgânicos a base da tecnologia SSF, os quais empregam microorganismos capazes de degradar a parede celulósica vegetal associados a microorganismos fermentativos.
Os documentos de patente PI0505299-8 e PI0605017-4 de propriedade da PETROBRÁS S.A. tratam de processos de produção de etanol a partir do bagaço da cana-de-açúcar. Em ambos os processos, o bagaço da cana-de-açúcar (material lignocelulósico) precisa ser pré- tratado quimicamente para extração da fração hemicelulósica, bem como da lignina, antes da etapa de SSF.
A patente americana US745993 descreve um processo de
produção de etanol onde em uma primeira fase, o material lignocelulósico é pré-tratado com uma solução hidroalcoolica, sob temperatura e pressão elevadas, para que ocorra a solubilização da lignina. A polpa resultante deste pré-tratamento e lavada com água para que ocorra a remoção da hemicelulose. A celulose, assim obtida, é posteriormente sacarificada com agentes celulolíticos (celulases), para a obtenção dos açúcares monoméricos. Finalmente, a estes são fermentados para a produção de etanol.
Além dos documentos de patente supracitados, encontramos no estado da técnica os documentos WO2007009463, WO9830710, US5733758, WO9429474 que se referem a processos de produção de etanol a partir de compostos lignocelulósicos, onde existe uma etapa de pré-tratamento químico; térmico ou termoquímico para obtenção da celulose pura.
Todos estes processos são intensivos em energia, sendo ainda dispendiosos por envolverem várias etapas, devido à necessidade de se obter a celulose com o mais elevado grau de pureza possível antes de se efetuar a sua sacarificação para posterior obtenção do etanol.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção pertence à área da engenharia química, tendo como principal objeto um processo para a produção de etanol a partir de biomassas residuais oriundas da indústria de celulose, sem tratamentos prévios, obtidas após o processamento de madeira para a produção de pastas celulósicas, em que as etapas de sacarificação por hidrólise enzimática e fermentação ocorrem de forma simultânea em um vaso reacional único.
O segundo objeto desta invenção trata-se do etanol produzido com o emprego de um processo para a produção de etanol a partir de biomassas residuais oriundas da indústria de celulose, sem tratamentos prévios, obtidas após o processamento de madeira para a produção de pastas celulósicas, em que as etapas de sacarificação por hidrólise enzimática e fermentação ocorrem de forma simultânea em um vaso reacional único.
DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
Figura 1 : Esquema contendo as etapas do processo de geração das fibras residuais do processamento de madeira para a produção de pastas celulósicas.
Figura 2: Diagrama de blocos do processo de sacarificação e fermentação simultânea (SSF);
Figura 3: Perfil cinético do processo de produção de etanol após a ocorrência simultâneas da sacarificação por hidrólise enzimática e fermentação em um vaso reacional único; onde: (A) pré-hidrólise, (B)
SSF, (-·-) glicose, (-Á-) etanol, (-■-) xilose.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVEÇÀO
No processo de produção de etanol desta invenção, as etapas de sacarificação por hidrólise enzimática e fermentação ocorrem em batelada e de forma simultânea; sendo realizado em um único vaso reacional; onde são adicionados:
( a )■ Biomassa residual;
( ). Solvente(s);
( c )■ Agente tamponante;
( d ). Preparado multi-enzimático;
( e )· Agente de fermentação.
Para fins desta invenção serão fornecidas definições que auxiliarão na reprodução do objeto descrito:
Biomassa residual é o resíduo gerado no processo de produção de pastas celulósicas, mais especificamente, após as etapas de
deslignificação, digestão e branqueamento. Em cada uma dessas etapas, as fibras de celulose que não atendem às especificações de tamanho e qualidade, são separadas da massa de produto e reunidas sob a forma de um material fibroso, rico em celulose, que contem menos que 5% de hemicelulose e no máximo, 10% de lignina.
Solvente é aquela substância que permite a extração de outra substância em seu contato íntimo, sendo preferencialmente um líquido.
Agente tamponante é aquela substância, geralmente formada através da associação entre um ácido fraco e um sal deste ácido, que ao ser adicionada ao meio é capaz de manter a estabilidade do pH do sistema, ou com uma variabilidade mínima, tornando, assim, o meio mais apropriado, em termos de pH, para o desenvolvimento dos processos, tanto enzimáticos quanto biológicos.
Celulases correspondem a um complexo formado por diferentes enzimas, denominadas: endoglucanase, exoglucanaes, D-glucosidade e celobiohidrolase, que agindo em sinergia são capazes de degradar celulose a estruturas de menor complexidade molecular tais como celodextrinas, celobiose e glicose.
Agente de fermentação é a célula viva, de natureza microbiana, capaz de converter glicose a etanol, podendo ser do reino dos fungos ou das bactérias, naturalmente ocorrentes ou geneticamente modificados, sendo os agentes de fermentação mais empregados as leveduras da espécie Saccharomyces cerevisiae e as bactérias da espécie Zymomonas mobilis.
O processo de produção de etanol desta invenção tem inicio pela adição em um vaso reacional, da biomassa residual e do solvente, na razão peso de biomassa residual por volume de solvente compreendida entre 1 :1 ,5 (p/v) a 1 :15(p/v); sendo preferencialmente empregada a razão peso/volume compreendida entre 1 :2(p/v) a 1 :8(p/v). Ainda
preferencialmente, o solvente empregado neste processo é a água.
Para melhor atividade, do preparado multi-enzimático, deve ser adicionado ao sistema reacional uma solução ácida, com a finalidade de ajustar o pH do meio. Preferencialmente, o pH do meio reacional deve estar compreendido entre 4,0 e 6,5; mais especificamente, deve estar compreendido entre 4,8 a 5,8. Paralelamente deve ser adicionado um agente tampão com o objetivo de manter o pH dentro de uma faixa adequada ao processo. Este tampão pode ser composto, preferencialmente pelas seguintes substâncias químicas: citrato monossódico, citrato dissódico, bicarbonato de sódio, carbonato de potássio, tetrapirofosfato, acetato de sódio, fosfato de cálcio e amónia, mas não limitado a esses componentes.
A hidrólise enzimática ocorre pela adição do preparado multi- enzimático ao dito meio reacional na concentração final compreendida entre 5 FPU/g a 40 FPU/g. Inicialmente, a hidrólise enzimática ocorre em uma temperatura compreendida entre 22°C a 55°C; sob agitação entre 100 a 400 rpm; pelo período de tempo compreendido entre 8 a 24 horas. Preferencialmente, a reação ocorre em uma temperatura compreendida entre 40°C a 50°C; sob 150 a 300 rpm de rotação; durante 10 à 18h.
Nestas condições reacionais, ocorre a sacarificação da fração celulósica que constitui a biomassa residual. Como resultado desta sacarificação, a concentração de celulose no meio reacional se torna gradativamente menor e as concentrações de monossacarídeos e dissacarídeos se tornam gradativamente mais elevada.
Decorrido o período de tempo compreendido entre 10 a 18 horas a concentração de açúcares fermentáveis atinge valores compreendidos entre 50 g/L a 130 g/L; fato que torna viável a ocorrência da etapa de fermentação.
Portanto, a segunda etapa do processo de produção de etanol objeto desta invenção, tem inicio pelo ajuste da temperatura do vaso reacional, de modo a possibilitar a introdução, sobrevivência e maior eficiência fermentativa do microorganismo que será introduzido. Esta etapa do processo deve então, ocorrer sob uma temperatura
compreendida entre 25°C a 40°C; devendo esta, preferencialmente, permanecer entre 35°C e 40°C. O microorganismo introduzido no vaso reacional deve estar presente no sistema a uma concentração
compreendida entre 1 a 40 g/L; devendo preferencialmente, a
concentração do microorganismo fermentativo ficar compreendida entre 2 a 20 g/L. Ainda preferencialmente, os microorganismos fermentativos que podem ser empregados nesta invenção são leveduras da espécie
Saccharomyces cerevisiae; bactérias da espécie Zymomonas mobilis; e/ou cepas geneticamente modificada destes.
Após a introdução do microorganismo, o processo de fermentação ocorrerá simultaneamente à hidrólise enzimática (sacarificação) devendo ocorrer por um período de tempo máximo de 72 horas; devendo
preferivelmente ocorrer por um período de aproximadamente 48 horas.
Tendo em vista que a atividade hidrolítica das enzimas é inibida por seu próprio produto (glicose), a partir de uma determinada concentração, é necessária a remoção de parte deste açúcar do meio reacional de forma a manter constante a taxa de hidrólise das enzimas. Neste sentido, a inserção do microorganismo soluciona este problema já que para a produção do etanol através da fermentação há o consumo de glicose. Logo, a simultaneidade do processo de hidrólise da celulose, ou
sacarificação, e da fermentação confere um sinergismo indispensável para a viabilização tecnologia.
Ao final do processo, é obtida a concentração final de açúcares e de etanol no meio estão compreendidas entre 0 e 20 g/L e entre 40 e 120 g/L respectivamente.
A última etapa deste processo é a recuperação do etanol produzido do meio reacional. A recuperação do etanol pode ser realizada
empregando-se práticas conhecidas do homem da arte, tais como destilação, ou processos de separação com o uso de membranas.
O etanol, objeto desta patente, é todo aquele etanol produzido segundo um processo de produção realizado em um único vaso reacional, onde são adicionados:
( a ). Biomassa residual;
( b ). Solvente(s);
( c ). Agente tamponante;
( d ). Preparado multi-enzimático; ( e ). Agente de fermentação.
Biomassa residual é o resíduo gerado no processo de produção de pastas celulósicas, mais especificamente, após as etapas de
deslignificação, digestão e branqueamento. Em cada uma dessas etapas, as fibras de celulose que não atendem às especificações de tamanho e qualidade, são separadas da massa de produto e reunidas sob a forma de um material fibroso, rico em celulose, que contem menos que 5% de hemicelulose e, no máximo, 10% de lignina.
Solvente é aquela substância que permite a extração de outra substância em seu contato íntimo, sendo preferencialmente um líquido.
Tampão é aquela substância, geralmente formada através da associação entre um ácido fraco e um sal deste ácido, que ao ser adicionada ao meio é capaz de manter a estabilidade do pH do sistema, ou com uma variabilidade mínima, tornando, assim, o meio mais apropriado, em termos de pH, para o desenvolvimento dos processos, tanto enzimáticos quanto biológicos.
Celulases correspondem a um complexo formado por diferentes enzimas, denominadas: endoglucanase, exoglucanaes, D-glucosidade e celobiohidrolase, que agindo em sinergia são capazes de degradar celulose a estruturas de menor complexidade molecular (celodextrinas, celobiose e glicose).
Agente de fermentação é a célula viva, de natureza microbiana, capaz de converter glicose a etanol, podendo ser do reino dos fungos ou das bactérias, naturalmente ocorrentes ou geneticamente modificados, sendo os agentes mais empregados a levedura da espécie
Saccharomyces cerevisiae e a bactéria da espécie Zymomonas mobilis e/ou cepas geneticamente modificada destes oraganismos.
A primeira etapa deste processo tem inicio pela adição em um vaso reacional, da biomassa residual e do solvente; preferencialmente, o solvente empregado neste processo é a água. A razão peso de biomassa residual por volume de solvente deve estar compreendida entre 1 :1 (p/v) a 1 :15 (p/v); sendo preferencialmente empregada a razão peso/volume compreendida entre 1 :2(p/v) a 1 :10(p/v).
Para melhor atividade do extrato enzimático, deve ser adicionado ao sistema reacional uma solução ácida, com a finalidade de reduzir moderadamente o pH do meio. Preferencialmente, o pH do meio reacional deve estar compreendido entre 4,0 e 6,5; mais especificamente, deve estar compreendido entre 4,8 a 5,8. Paralelamente deve ser adicionado um agente tampão com o objetivo de manter o pH dentro de uma faixa adequada ao processo. Este tampão deve ser composto
preferencialmente pelas seguintes substâncias químicas: citrato
monossódico, citrato dissódico, bicarbonato de sódio, carbonato de potássio, tetrapirofosfato, acetato de sódio, fosfato de cálcio e amónia, mas não limitado a somente esses componentes.
A hidrólise enzimática ocorre, inicialmente, entre 22°C a 55°C; sob agitação entre 100 a 400 rpm; pelo período de tempo compreendido entre 8 a 24 horas. Preferencialmente, a reação ocorre em uma temperatura compreendida entre 40°C a 50°C; sob 150 a 300 rpm de rotação; durante 10 à 18h.
O preparado multi-enzimático (celulases) deve ser adicionado ao meio reacional na concentração final compreendida entre 5 FPU/g a 40 FPU/g.
Nestas condições reacionais, ocorre a sacarificação da fração celulósica que constitui a biomassa residual. Como resultado desta sacarificação, a concentração de celulose no meio reacional se torna gradativamente menor e as concentrações de monossacarídeos e dissacarídeos se tornam gradativamente mais elevada.
Decorrido o período de tempo compreendido entre 10 a 18 horas a concentração de açúcares fermentáveis atinge valores compreendidos entre 50 g/L a 130 g/L; fato que torna viável a ocorrência da etapa de fermentação.
Portanto, a segunda etapa do processo de produção de etanol, objeto desta invenção, tem inicio pelo ajuste da temperatura do vaso reacional, de modo a possibilitar a introdução, sobrevivência e maior eficiência fermentativa do microorganismo que será introduzido. A segunda etapa do processo deve, então, ocorrer sob uma temperatura compreendida entre 25°C a 40°C; devendo esta, preferencialmente, permanecer entre 35°C e 40°C. O microorganismo introduzido no vaso reacional deve estar presente no sistema a uma concentração
compreendida entre 1 a 40 g/l; devendo preferencialmente, a
concentração do microorganismo fermentativo ficar compreendida entre 2 a 20 g/l.
Ainda preferencialmente, os microorganismos fermentativos que podem ser empregados nesta invenção são leveduras da espécie
Saccharomyces cerevisiae; bactérias da espécie Zymomonas mobilis; e/ou cepas geneticamente modificada destes.
Após a introdução do microorganismo, o processo de fermentação ocorrerá simultaneamente à hidrólise enzimática (sacarificação) devendo ocorrer por um período de tempo máximo de 72 horas; devendo
preferivelmente ocorrer por um período de aproximadamente 48 horas.
Tendo em vista que a atividade hidrolítica das enzimas é inibida por seu próprio produto (glicose), a partir de uma determinada concentração, é necessária a remoção de parte deste açúcar do meio reacional de forma a manter constante a taxa de hidrólise das enzimas. Neste sentido, a inserção do microorganismo soluciona este problema já que para a produção do etanol através da fermentação há o consumo de glicose. Logo, a simultaneidade do processo de hidrólise da celulose, ou
sacarificação, e da fermentação confere um sinergismo indispensável para a viabilização tecnologia.
Ao final do processo a concentração final de açúcares e de etanol no meio estão, preferencialmente, entre 0 e 20 g/L e entre 40 e 120 g/L respectivamente.
A última etapa deste processo é a recuperação do etanol do meio reacional. A recuperação do etanol pode ser realizada empregando-se práticas conhecidas do homem da arte, tais como destilação, e processos com membranas.
O exemplo que apresentado tem o cunho meramente ilustrativo e possui o escopo de comprovar as concretizações relativas aos objetos desta patente que foram efetuadas pelos inventores. Este exemplo, entretanto, não deve ser empregado para delimitar os direitos da
invenção.
EXEMPLO: Produção de etanol à partir de rejeitos da indústria papeleira.
A biomassa residual é adicionada ao biorreator instrumentado na proporção de 1 parte de sólido (em Kg) para 4 partes de líquido (em litros). Inicialmente, adiciona-se uma alíquota do preparado enzimático comercial, produzido pela empresa Genencor, denominado MULTIFECT CX-10 (com 100 FPU/g de atividade), carga enzimática de 17,5 FPU/g. Este meio tem seu pH acidificado (pH=5) pela adição do agente tamponante citrato de sódio, a uma temperatura de 47°C e sob agitação de 200 rpm.
Após 16 horas, o sistema atinge uma concentração de açúcares redutores totais, provenientes da hidrólise enzimática, de 65 g/L. Nesse momento a temperatura é reduzida para 37°C e o microorganismo, de uma linhagem comercial da espécie Saccharomyces cerevisiae, é inoculado ao meio reacional de modo a atingir uma concentração de 4 g/L. Neste instante, inicia-se efetivamente o processo de sacarificação simultaneamente à fermentação. Após 50 horas, desde o início da fermentação da biomassa, a concentração de açúcares no sistema é praticamente zero, e a de etanol é de 60 g/L. O etanol produzido foi recuperado por destilação simples.

Claims

Reivindicações:
1 ) Processo para a produção de etanol, caracterizado pelas etapas de sacarificação por hidrólise enzimática e fermentação ocorrem em batelada e de forma simultânea; sendo realizado em um único vaso reacional; onde são adicionados:
( f ). Biomassa residual;
( g ). Solvente(s);
( h ). Agente tamponante;
( i ). Preparado multi-enzimático;
( j ). Agente de fermentação.
2) Processo de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ter inicio pela adição em um vaso reacional, da biomassa residual e do solvente, na razão peso de biomassa residual por volume de solvente compreendida entre 1 :1 ,5(p/v) a 1 :15(p/v).
3) Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por compreender a razão peso da biomassa /volume do solvente ser entre 1 :2(p/v) a 1 :8(p/v) e o solvente ser água.
4) Processo de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por compreender uma etapa de adição de uma solução ácida para ajustar do pH do meio, que deve estar compreendido entre 4,0 e 6,5.
5) Processo de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pela hidrólise enzimática ocorrer pela adição de um preparado multi-enzimático na concentração final compreendida entre 5 FPU/g a 40 FPU/g; em uma temperatura compreendida entre 22°C a 55°C; sob agitação entre 100 a 400 rpm; pelo período de tempo compreendido entre 8 a 24 horas.
6) Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pela hidrólise enzimática ocorrer em uma temperatura compreendida entre 40°C a 50°C; sob 150 a 300 rpm de rotação; durante 10 à 18h.
7) Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pela concentração de açúcares fermentáveis atingir valores compreendidos entre 50 g/L a 130 g/L. 8) Processo de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por se ajustar a temperatura do vaso reacional, de modo a possibilitar a introdução, sobrevivência e maior eficiência fermentativa do
microorganismo que será introduzido.
9) Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por se ajustar a temperatura entre 25°C a 40°C e o microorganismo estar presente no sistema a uma concentração compreendida entre 1 a 40 g/L.
10) Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pela temperatura ser compreendida entre 35°C a 40°C e o microorganismo estar presente no sistema a uma concentração compreendida entre 2 a 20 g/L.
11 ) Processo de acordo com as reivindicações 1 a 10,
caracterizado por se empregar como microorganismo fermentativo uma levedura da espécie Saccharomyces cerevisiae.
12) Processo de acordo com as reivindicações 1 a 10,
caracterizado por se empregar como microorganismo fermentativo uma bactéria da espécie Zymomonas mobilis.
13) Processo de acordo com a reivindicação 11 , caracterizado por se empregar uma cepa geneticamente modificada de Saccharomyces cerevisiae.
14) Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por se empregar uma cepa geneticamente modificada de Zymomonas mobilis.
15) Processo de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ocorrerem simultaneamente a fermentação e a sacarificação em um vaso reacional único, durante o período máximo de 72 horas.
16) Processo de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo período simultâneo de fermentação e sacarificação ser de
aproximadamente 48 horas.
17) Processo de acordo com as reivindicações 1 a 16,
caracterizado por se obter uma concentração final de açúcares e de etanol no meio compreendidas entre 0 e 20 g/L e entre 40 e 120 g/L respectivamente.
18) Processo de acordo com as reivindicações 1 a 16,
caracterizado por compreender uma etapa de recuperação do etanol.
19) Etanol caracterizado por ser produzido pelo processo realizado em um único vaso reacional; onde são adicionados:
( a ). Biomassa residual;
( b ). Solvente(s);
( c ). Agente tamponante;
( d ). Preparado multi-enzimático;
( e ). Agente de fermentação.
20) Etanol de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por ter inicio pela adição em um vaso reacional, da biomassa residual e do solvente, na razão peso de biomassa residual por volume de solvente compreendida entre 1 :1 ,5(p/v) a 1 :15(p/v).
21 ) Etanol de acordo com a reivindicação 20, caracterizado por compreender a razão peso da biomassa/volume do solvente ser entre
1 :2(p/v) a 1 :8(p/v) e o solvente ser água.
22) Etanol de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por compreender uma etapa de adição de uma solução ácida para ajustar do pH do meio, que deve estar compreendido entre 4,0 e 6,5.
23) Etanol de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pela hidrólise enzimática ocorrer pela adição de um preparado multi-enzimático na concentração final compreendida entre 5 FPU/g a 40 FPU/g; em uma temperatura compreendida entre 22°C a 55°C; sob agitação entre 100 a 400 rpm; pelo período de tempo compreendido entre 8 a 24 horas.
24) Etanol de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pela hidrólise enzimática ocorrer em uma temperatura compreendida entre 40°C a 50°C; sob 150 a 300 rpm de rotação; durante 10 à 18h.
25) Etanol de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pela concentração de açúcares fermentáveis atingir valores compreendidos entre 50 g/L a 130 g/L.
26) Etanol de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por se ajustar a temperatura do vaso reacional, de modo a possibilitar a introdução, sobrevivência e maior eficiência fermentativa do
microorganismo que será introduzido.
27) Etanol de acordo com a reivindicação 26, caracterizado por se ajustar a temperatura entre 25°C a 40°C e o microorganismo estar presente no sistema a uma concentração compreendida entre 1 a 40 g/L.
28) Etanol de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pela temperatura ser compreendida entre 35°C a 40°C e o microorganismo estar presente no sistema a uma concentração compreendida entre 2 a 20 g/L.
29) Etanol de acordo com as reivindicações 19 a 28, caracterizado por se empregar como microorganismo fermentativo uma levedura da espécie Saccharomyces cerevisiae.
30) Etanol de acordo com as reivindicações 19 a 28, caracterizado por se empregar como microorganismo fermentativo uma bactéria da espécie Zymomonas mobilis.
31) Etanol de acordo com a reivindicação 29, caracterizado por se empregar uma cepa geneticamente modificada de Saccharomyces cerevisiae.
32) Etanol de acordo com a reivindicação 30, caracterizado por se empregar uma cepa geneticamente modificada de Zymomonas mobilis.
33) Etanol de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por ocorrerem simultaneamente a fermentação e a sacarificação em um vaso reacional único, durante o período máximo de 72 horas.
34) Etanol de acordo com a reivindicação 33, caracterizado pelo período simultâneo de fermentação e sacarificação ser de
aproximadamente 48 horas.
35) Etanol de acordo com as reivindicações 19 a 33, caracterizado por se obter uma concentração final de açúcares e de etanol no meio compreendidas entre 0 e 20 g/L e entre 40 e 120 g/L respectivamente.
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