WO2012021950A1 - Processo de obtenção de correntes com elevada concentração de açúcares fermentescíveis a partir de materiais lingnocelulósicos - Google Patents

Processo de obtenção de correntes com elevada concentração de açúcares fermentescíveis a partir de materiais lingnocelulósicos Download PDF

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Aline Machado De Castro
Nei Pereira, Jr.
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Luiz Fernando Martins Bandeira
Lidia Maria Melo Santa Anna
Josue Salvato MILLEN MIGUÉIS
Claudia Julia Groposo Silveira
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C13—SUGAR INDUSTRY
    • C13K—SACCHARIDES OBTAINED FROM NATURAL SOURCES OR BY HYDROLYSIS OF NATURALLY OCCURRING DISACCHARIDES, OLIGOSACCHARIDES OR POLYSACCHARIDES
    • C13K1/00—Glucose; Glucose-containing syrups
    • C13K1/02—Glucose; Glucose-containing syrups obtained by saccharification of cellulosic materials

Definitions

  • the present invention relates to a process for the enzymatic conversion of cellulose and hemicellulose contained in agroindustrial and agroforestry materials, in natura or pretreated, in order to obtain products of interest to the biofuel and petrochemical sectors. More particularly, the invention is concerned with obtaining streams with a high concentration of fermentable sugars obtained by enzymatic processes for the purpose of producing alcohols, organic acids and other molecules of interest to the industry.
  • Agroforestry and agroindustrial residues are being used on a large scale as an alternative to obtain biofuels, since there is plenty of raw material available.
  • pollution from fossil fuels is avoided while contributing to the preservation of the environment by producing clean energy.
  • the raw material used in the process consists basically of long chain carbohydrates, which can be transformed into smaller molecules (monosaccharides), which in turn undergo different conversion processes to products of interest to the most varied types of industries.
  • Lignocellulose is basically made up of cellulose, hemicellulose and lignin.
  • Native cellulose comprises a highly crystalline polymer formed of glucose units linked together by beta--4 covalent bonds which can be broken down by hydrolysis, releasing glucose.
  • Already hemicellulose comprises a branched heteropolysaccharide, so that the coordinated action of various enzymes is necessary to release carbohydrates to be fermented.
  • Enzymatic hydrolysis of polysaccharides comprises one of the most viable ways of converting lignocellulosic materials into fermentable sugars such as glucose and xylose, which are the basis for obtaining alcohols such as ethanol, butanol, xylitol, as well as organic acids. which are products of interest to the biofuel and petrochemical sectors, preferably. The conversion is catalyzed by cellulase-like enzymes, hemicellulases, or a combination of both.
  • US 7,354,743 teaches a method of obtaining ethanol (and other substances) from lignocellulosic materials using effective amounts of cellulolytic enzymes selected from the group consisting of cellulase, endogluconase, cellobiohydrolase and beta-glucosidase in the presence of of of an ethoxylated secondary alcohol that acts as a surfactant to increase the ability of these enzymes to degrade lignocellulosic material.
  • cellulolytic enzymes selected from the group consisting of cellulase, endogluconase, cellobiohydrolase and beta-glucosidase in the presence of of an ethoxylated secondary alcohol that acts as a surfactant to increase the ability of these enzymes to degrade lignocellulosic material.
  • PI 0803782-5 "Modular vector for expression of enzymes in filamentous fungi and method for producing a protein of interest within said fungus" - describes a process for bioproduction of ethanol from lignocellulosic and starchy residues from agroindustry, whereby a modular vector is applied in the cloning and introduction of genes into filamentous fungi to increase the expression of enzymes and other proteins in said fungi, for example hydrolases.
  • the invention is based on the production of cellulosic enzymes by fermentation using the fungus Penicillium funiculosum ATCC 11797, allowing the use of synthetic substrates, or the lignocellulosic and agroforestry residues themselves, in natura or pretreated.
  • the fungus is placed in contact with the cellulosic substrate in a culture medium adapted for a period of four to seven days, so that the enzymes are produced.
  • the microorganism releases into the culture medium high concentrations of proteins with catalytic properties, ie cellulosic and hemicellulosic enzymes such as xylanases, endoglucanases, exoglucanases and ⁇ -glucosidases, in order to break down the cellulosic and hemicellulosic fractions. present in the substrate.
  • catalytic properties ie cellulosic and hemicellulosic enzymes such as xylanases, endoglucanases, exoglucanases and ⁇ -glucosidases
  • US patent application US 2010/041100 A1 describes the use of a family of cellulase-like enzymes obtained from genetically modified Trichoderma reesei. These enzymes can be used in a wide variety of industrial processes that require enzymatic hydrolysis of lignocellulosic fillers in the presence of lignin for the production of fermentable sugars, sugar alcohols and combustible alcohols.
  • US Patent Application 2010/124771 A1 discloses a saccharification method whereby a lignin-containing cellulosic filler is contacted with at least one metal carbonate (Na 2 CO 3 ) in the presence of water under reaction conditions.
  • a lignin-containing cellulosic filler is contacted with at least one metal carbonate (Na 2 CO 3 ) in the presence of water under reaction conditions.
  • such initial sludge sludge sludge and later this sludge is contacted with a nucleophilic base (NaOH) under reaction conditions which produce a second delignification sludge comprising a lignin-containing liquid fraction and a polysaccharide enriched solid fraction ; after separation of fractions, the polysaccharide-enriched solid fraction is contacted with an enzyme pool to undergo a saccharification process and produce xylose and glucose monomers, in the proportion of about 50% of each product.
  • Na 2 CO 3 metal carbonate
  • US patent application US 2010/159536 A1 describes a method for degrading or converting a cellulosic material into fermentable products, whereby the cellulosic material is hydrolyzed in the presence of one or more cellulolytic enzymes, a cellobiose dehydrogenase and a polypeptide, in which an increase in cellulolytic activity occurs.
  • Cellulolytic enzymes are selected from the group consisting of endogluconase, cellobiohydrolase, beta-glucosidase, esterase, protease, hemicellulase, lacase and peroxidase, xylanase, among others.
  • the present invention is an enzymatic bioprocess for the production of hydrolyzates with high concentrations of fermentable sugars from lignocellulosic composition materials such as fresh and pre-treated agricultural and forest waste.
  • the sugar-rich streams produced can then be fermented to produce alcohols (ethanol, butanol, xylitol), organic acids and other molecules of interest to the biofuel and petrochemical sectors.
  • Solid lignocellulosic materials are added in large quantities and kept in contact with enzyme preparations under favorable pH and temperature conditions, under constant agitation, even at the beginning of the process, when the raw material is not yet completely liquefied. Throughout the process solid lignocellulosic materials, enzyme preparations and additives may be added intermittently.
  • Enzymatic hydrolysis of polysaccharides comprises one of the most viable ways of converting lignocellulosic materials into fermentable sugars such as glucose and xylose, which are the basis for obtaining alcohols such as ethanol, butanol, xylitol, and organic acids.
  • fermentable sugars such as glucose and xylose
  • alcohols such as ethanol, butanol, xylitol, and organic acids.
  • the liquefaction enzymes that act on the solubilization of the material act on the new added material
  • the saccharification enzymes act on already liquefied material.
  • the enzymes cellobiohydrolases and glucanohydrolases may also act on the material during its liquefaction.
  • the process of the present invention achieves significant and surprising results through the use of enzymatic preparations obtained from the combination of commercial and / or home made products, which exhibit outstanding beta-glucosidase activity, so that The conversion of polysaccharides into sugars is more complete, preferably releasing fermentable monosaccharides such as glucose and xylose over intermediate sugars such as cellobiose and xylobiose (non-fermentable).
  • the enzymatic process is catalyzed by cellulases and / or hemicellulases, releasing mainly glucose and xylose.
  • contents of 12% to 20% by weight of solid lignocellulosic materials are kept in contact with concentrations of 5 FPU to 30 FPU (filter paper unit) / g of enzymatic preparations under favorable pH - na conditions. range 3.5 to 6.5 - preferably in the range 4.0 to 5.5, and temperature - in the range 30 ° C to 60 ° C - preferably in the range 35 ° C to 55 ° C.
  • the filter paper unit (FPU) expresses the power to catalyze hydrolysis reactions on filter paper.
  • the contact time of the cellulosic material with the enzyme preparation may range from 8 hours to 150 hours, depending on the initial conditions of the cellulosic material, which may be fresh or pretreated.
  • the system is kept in constant agitation from the outset to provide close contact of the enzyme preparations with the lignocellulosic material.
  • the process of the present invention utilizes high contents of solid lignocellulosic materials maintained in contact with enzymatic preparations under constant agitation under favorable pH and temperature conditions for 8 hours to 150 hours.
  • different processing routes were tried.
  • the present invention relates to a batch bioprocess which can also be intermittently fed throughout the process in at least one of three ways: lignocellulosic material, enzyme preparations and additives (surfactants and glycols).
  • Table 3 below provides a non-limiting illustrative example of glucose and xylose concentrations obtained by co-saccharification of lignocellulosic material from pretreated sugarcane bagasse, as described in Brazilian patent applications PI 0505299- 8 and PI 0605017-4, according to the different feeding strategies. Glucose and xylose concentrations were measured after 72 hours and 144 hours of processing.
  • the described strategies allowed the obtaining of currents rich in sugars, so that, when conducting fermentation processes, either performed sequentially or simultaneously to the hydrolysis step, the concentrations of products of interest are higher, thus reducing the costs of separation and purification of the obtained products.

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Abstract

A presente invenção trata de um bioprocesso enzimático para a produção de hidrolisados com elevadas concentrações de açucares fermentescíveis a partir de materiais de composição lignocelulósica, como resíduos agrícolas e florestais, in natura ou pré-tratados. As correntes produzidas, ricas em açucares, podem ser então fermentadas para produzir álcoois (etanol, butanol, xilitol), ácido orgãnico e outras moléculas de intereses para os sectores de biocombustíveis e petroquímico. Os materiais lignocelulósicos sólidos são adicionados em grandes quantidades e mantidos em contado com os preparados enzimáticos sob condições favoráveis de pH e temperatura, sob agitação constante, mesmo no início do processo, quando a matéria-prima ainda náo está completamente liquefeita. Ao longo do processo materiais lignocelulósicos sólidos, preparados enzimático e aditivos podem ser adicionados de forma intermitente.

Description

PROCESSO DE OBTENÇÃO DE CORRENTES COM ELEVADA CONCENTRAÇÃO DE AÇÚCARES FERMENTESCÍVEIS A PARTIR DE
MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção se refere a um processo para a conversão enzimática de celulose e hemicelulose contidas em materiais agroindustriais e agroflorestais, in natura ou pré-tratados, visando à obtenção de produtos de interesse para os setores de biocombustíveis e petroquímicos. Mais particularmente a invenção trata da obtenção de correntes com elevada concentração de açúcares fermentescíveis obtidas via processos enzimáticos, com o objetivo de produzir álcoois, ácidos orgânicos e outras moléculas de interesse para a indústria.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
Resíduos agroflorestais e agroindustriais estão sendo utilizados em larga escala como alternativa para a obtenção de biocombustíveis, uma vez que se dispõe de fartura de matéria-prima. Além disso, evita-se a poluição causada pelos combustíveis fósseis e ao mesmo tempo se contribui para preservação do meio ambiente, produzindo energia limpa.
A matéria-prima empregada no processo consiste basicamente de carboidratos de cadeias longas, os quais podem ser transformados em moléculas menores (monossacarídeos), que por sua vez são submetidas a diferentes processos de conversão a produtos de interesse para os mais variados tipos de indústrias.
A lignocelulose é formada basicamente de celulose, hemicelulose e lignina. A celulose nativa compreende um polímero altamente cristalino formado por unidades de glicose ligadas entre si por ligações covalentes do tipo beta- -4, que podem ser rompidas por meio de hidrólise, liberando a glicose. Já a hemicelulose compreende um heteropolissacarídeo ramificado, de forma que é necessária a ação coordenada de várias enzimas para a liberação dos carboidratos a serem fermentados. A hidrólise enzimática dos polissacarídeos compreende uma das formas mais viáveis de conversão de materiais lignocelulósicos em açúcares fermentescíveis, como glicose e xilose, os quais são a base para a obtenção de álcoois, tais como etanol, butanol, xilitol, além de ácidos orgânicos, os quais são produtos de interesse para os setores de biocombustíveis e petroquímico, preferencialmente. A conversão é catalisada por enzimas do tipo celulases, hemicelulases, ou combinação de ambas.
Embora a literatura técnica especializada aponte grandes avanços neste campo tecnológico, o custo de produção desses produtos derivados de lignocelulose por via enzimática ainda representa um fator decisivo e limitante à adoção da tecnologia. O preço das enzimas comerciais empregadas nos processos impacta fortemente o custo final da produção. TÉCNICA RELACIONADA
As técnicas de tratamento de materiais lignocelulósicos encontram- se fartamente divulgadas na literatura. Inicialmente o material precisa ser submetido a um pré-tratamento para liberação dos açúcares e posteriormente a um processo fermentativo, para que esses açúcares sejam transformados nos produtos de interesse.
Os pedidos de patente brasileiros PI 0505299-8 e PI 0605017-4 podem ser citados como exemplos não restritivos aos tipos de pré- tratamento que podem ser empregados.
No pedido PI 0505299-8 - "Processo de produção de etanol a partir do hidrolisado da fração hemicelulósica do bagaço de cana-de-açúcar em reator do tipo prensa" - o etanol é produzido a partir de material celulósico submetido a um processo de hidrólise ácida branda com ácido sulfúrico diluído, em um reator tipo prensa, sob pressão de 1 atm, durante 30 minutos a 50 minutos, segundo o qual uma proporção sólido/líquido é mantida na faixa de 1 :4 a :2. A fase líquida (hidrolisado) é então extraída, neutralizada e submetida à fermentação em presença de biomassa inicial aclimatada de Pichia stipitis.
No pedido PI 0605017-4 - "Processo para a produção de etanol a partir de materiais lignocelulósicos por via enzimática" - resíduos agrícolas e agroindustriais de composição lignocelulósica são submetidos à hidrólise química e enzimática. A fração hemicelulósica é separada através da hidrólise branda com ácido sulfúrico e, ao material sólido resultante dessa hidrólise, sofre um processo de sacarificação simultânea à fermentação alcoólica rápida, o que permite alcançar altas conversões do produto em tempo bastante reduzido.
O documento de patente US 7,354,743 ensina um método de obtenção de etanol (e outras substâncias) a partir de materiais lignocelulósicos empregando-se quantidades efetivas de enzimas celulolíticas, selecionadas do grupo que consiste de celulase, endogluconase, celobiohidrolase e beta-glucosidase, em presença de um álcool secundário etoxilado que atua como surfactante, visando aumentar a capacidade dessas enzimas de degradar o material lignocelulósico.
Como já ressaltado anteriormente, do ponto de vista comercial o custo dessas enzimas constitui um obstáculo a ser vencido, o que leva à pesquisa de novos preparados enzimáticos que sejam capazes de transformar, de forma economicamente viável, esses materiais lignocelulósicos em açúcares que possam ser fermentados, gerando produtos úteis.
No pedido de patente, citado como referência, PI 0803782-5 - "Vetor modular para expressão de enzimas em fungos filamentosos e método para produzir uma proteína de interesse no interior do dito fungo" - descreve-se um processo com vistas à bioprodução de etanol a partir de resíduos lignocelulósicos e amiláceos provenientes da agroindústria, segundo o qual um vetor modular é aplicado na clonagem e introdução de genes em fungos filamentosos para aumentar a expressão de enzimas e outras proteínas nos ditos fungos, por exemplo, hidrolases. Podem ser utilizadas várias linhagens de fungos filamentosos como células hospedeiras, entre as quais merecem destaque Penicillium, Trichoderma e Aspergillus.
A publicação internacional WO 2009/108941 descreve um método para degradar materiais celulósicos e liberar açúcares fermentescíveis que compreende a obtenção de uma ou mais enzimas a partir de plantas tratadas geneticamente, capazes de degradar este tipo de material. As enzimas são expressas em plantas e bactérias e então adicionadas à biomassa sob a forma de um coquetel.
No pedido de patente, citado como referência, PI 0805560-2 -
"Processo de produção de um preparado enzimático para hidrólise de celulose de resíduos lignocelulósicos" por meio de processo microbiológico, reporta-se uma enzima capaz de hidrolisar as frações hemicelulósicas e celulósicas das fibras de resíduos lignocelulósicos provenientes de ambientes florestais e agroindustriais. Este processo hidrolítico gera altas concentrações de açúcares do tipo glicose e significantes concentrações de xilose, que podem ser fermentadas por microrganismos com o objetivo de produzir etanol.
A invenção fundamenta-se na produção das enzimas celulásicas por via fermentativa utilizando o fungo Penicillium funiculosum ATCC 11797, permitindo o uso de substratos sintéticos, ou os próprios resíduos lignocelulósicos e agroflorestais, in natura ou pré-tratados. O fungo é colocado em contato com o substrato celulósico em um meio de cultivo adaptado por um período de quatro a sete dias, para que as enzimas sejam produzidas. Durante este tempo, o microrganismo libera para o meio de cultivo altas concentrações de proteínas com propriedades catalíticas, ou seja, enzimas celulásicas e hemicelulásicas, tais como xilanases, endoglucanases, exoglucanases e β-glucosidases, com a finalidade de quebrar as frações celulósicas e hemicelulósicas presentes no substrato. Sabe-se que a presença de lignina no meio constitui um fator limitante ao desempenho das enzimas, podendo, inclusive, inviabilizar economicamente o processo. Os fornecedores de enzimas comerciais buscam, cada vez mais, alternativas para contornar essa questão.
No pedido de patente norte-americano US 2010/041100 A1 descreve-se o uso de uma família de enzimas do tipo celulase obtidas de Trichoderma reesei geneticamente modificada. Estas enzimas podem ser usadas em uma grande variedade de processos industriais que necessitem efetuar a hidrólise enzimática de cargas lignocelulósicas em presença de lignina para a produção de açúcares fermentescíveis, álcoois de açúcar e álcoois combustíveis.
Yang et al. (2010. Bioresour Technol 101 ; 1884) descrevem um processo de produção de elevadas concentrações de açúcar a partir de resíduos do processamento de milho.
No entanto, os autores não utilizam preparados enzimáticos com destacada atividade de beta-glicosidases, de forma que a concentração da celobiose (dissacarídeo não fermentescível) é significativa, em comparação à de glicose e xilose. Além disso, o estudo não abordou a utilização de biossurfactantes, de forma a prevenir a adsorção improdutiva das enzimas à matéria-prima, intermitentemente adicionada ao sistema reacional.
No pedido de patente norte-americano US 2010/124771 A1 descreve-se um método de sacarificação segundo o qual uma carga celulósica contendo lignina é posta em contato com pelo menos um carbonato metálico (Na2C03) em presença de água em condições reacionais iniciais tais que produzam uma primeira lama de deslignificação e posteriormente esta lama é posta em contato com uma base nucleofílica (NaOH) sob condições de reação tais que produzam uma segunda lama de deslignificação, compreendendo uma fração líquida contendo lignina e uma fração sólida enriquecida de polissacarídeos; após a separação das frações, a fração sólida enriquecida com polissacarídeos é posta em contato com um consórcio de enzimas para ser submetida a um processo de sacarificação e produzir monômeros de xilose e glicose, na proporção de cerca de 50% de cada produto.
No pedido de patente norte-americano US 2010/159536 A1 descreve-se um método para degradar ou converter um material celulósico em produtos fermentescíveis, segundo o qual o material celulósico é hidrolisado na presença de uma ou mais enzimas celulolíticas, uma celobiose dehidrogenase e um polipeptídeo, no qual ocorre um aumento da atividade celulolítica. As enzimas celulolíticas são selecionadas do grupo que consiste de endogluconase, celobiohidrolase, beta-glucosidase, esterase, protease, hemicelulase, lacase e peroxidase, xilanase, entre outras.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção trata de um bioprocesso enzimático para a produção de hidrolisados com elevadas concentrações de açúcares fermentescíveis a partir de materiais de composição lignocelulósica, como resíduos agrícolas e florestais, in natura ou pré-tratados.
As correntes produzidas, ricas em açúcares, podem então ser fermentadas para produzir álcoois (etanol, butanol, xilitol), ácidos orgânicos e outras moléculas de interesse para os setores de biocombustíveis e petroquímico. Os materiais lignocelulósicos sólidos são adicionados em grandes quantidades e mantidos em contato com os preparados enzimáticos sob condições favoráveis de pH e temperatura, sob agitação constante, mesmo no início do processo, quando a matéria- prima ainda não está completamente liquefeita. Ao longo do processo materiais lignocelulósicos sólidos, preparado enzimático e aditivos podem ser adicionados de forma intermitente.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
De acordo com o processo da presente invenção, estratégias são estabelecidas com o objetivo de reduzir o custo de um processo de produção de álcoois, especialmente etanol, a partir de materiais lignocelulósicos, particularmente resíduos agroindustriais, visando à obtenção de concentrações mais elevadas de açúcares no meio hidrolisado.
A hidrólise enzimática dos polissacarídeos compreende uma das formas mais viáveis de conversão de materiais lignocelulósicos em açúcares fermentescíveis, como glicose e xilose, que são a base para a obtenção de álcoois, tais como etanol, butanol, xilitol, e ácidos orgânicos. No entanto, para a obtenção de correntes concentradas desses produtos, é necessário que se obtenham previamente as correntes ricas em açucares.
Para a obtenção dessas correntes com elevadas concentrações de açucares é necessário que uma elevada concentração de sólidos seja adicionada no início do processo, o que faz com que fenómenos de transferência de massa sejam em geral limitantes nas primeiras horas de sacarificação. Assim, desenvolveu-se um bioprocesso segundo o qual a alimentação de matéria-prima lignocelulósica é efetuada ao longo do processo, de forma intermitente, com vistas a contornar limitações reológicas do sistema. Desta forma, o processo é iniciado com elevada quantidade de sólidos, que serão liquefeitos pelas preparações enzimáticas no decorrer do processo de sacarificação. À medida que ocorre a liquefação, as limitações de transferência de massa vão se tornando menos relevantes, permitindo a alimentação de mais sólidos à carga inicial. Por consequência, as enzimas de liquefação que atuam na solubilização do material (endoglucanases, endoxilanases), passam a atuar no novo material adicionado, enquanto que as enzimas de sacarificação (beta-glicosidases, beta-xilosidases, celobiohidrolases e glucanohidrolases) passam a atuar no material já liquefeito.
As enzimas celobiohidrolases e glucanohidrolases podem ainda atuar no material durante sua liquefação.
Com esta estratégia, o processo da presente invenção alcança resultados significativos e surpreendentes por meio do emprego de preparados enzimáticos obtidos da combinação de produtos comerciais e/ou produtos próprios (home made), os quais apresentam destacada atividade de beta-glicosidases, de modo que a conversão de polissacarídeos em açucares é mais completa, liberando preferencialmente monossacarídeos fermentescíveis, como glicose e xilose, em relação a açúcares intermediários, como celobiose e xilobiose (não fermentescíveis). O processo enzimático é catalisado por celulases e/ou hemicelulases, liberando principalmente glicose e xilose.
De acordo com o processo da invenção teores de 12% a 20% em peso de materiais lignocelulósicos sólidos são mantidos em contato com concentrações de 5 FPU a 30 FPU (filter paper unit)/g de preparados enzimáticos, sob condições favoráveis de pH - na faixa de 3,5 a 6,5 - preferencialmente na faixa de 4,0 a 5,5 , e de temperatura - na faixa de 30°C a 60°C - preferencialmente na faixa entre 35°C e 55°C. A unidade FPU {filter paper unit) expressa o poder de catalisar reações de hidrólise em papel de filtro.
O tempo de contato do material celulósico com o preparado enzimático pode variar de 8 horas até 150 horas, dependendo das condições iniciais do material celulósico, o qual pode estar in natura ou pré-tratado. O sistema é mantido em constante agitação desde o início, a fim de proporcionar um íntimo contato dos preparados enzimáticos com o material lignocelulósico.
Foram realizados estudos comparativos com outros processos que utilizam material lignocelulósico para obtenção de etanol. Os resultados desse estudo comparativo estão expressos com base nas concentrações de glicose e celobiose após 8 horas de sacarificação, em que foram utilizados preparados com destacada atividade de beta-glicosidases. A Tabela 1 , a seguir apresenta os resultados obtidos quando se compara o processo da invenção com aquele descrito no pedido de patente brasileiro PI 0605017-4, e utilizando enzimas preparadas segundo o método descrito no pedido de patente brasileiro PI 0803782-5.
Figure imgf000010_0001
Como pode ser observado obtém-se um aumento de concentração de glicose da ordem de 6,6% em relação à técnica anterior. Considerando que a concentração de sólidos no sistema é bastante elevada, visto que se objetiva alcançar maiores concentrações de açúcares fermentescíveis, tem-se como alternativa, para evitar a adsorção improdutiva e excessiva das enzimas no material sólido, especialmente nas frações não hidrolisadas como a lignina, o uso de aditivos da classe dos surfactantes etoxilados e glicóis.
O documento US 7,354,743, citado como referência, ensina o uso de surfactantes do tipo etoxilados e ésteres de poli(oxietileno) durante processos de sacarificação e SSF (sacarificação e fermentação simultâneos) de materiais lignocelulósicos. Todavia, a matéria-prima é adicionada apenas no início do processo e a sacarificação é conduzida na presença de baixos teores de sólidos (5% em peso), sendo utilizados preparados enzimáticos deficientes em atividade de beta-glicosidases. O melhor resultado obtido, mesmo com o uso de surfactantes, reporta açúcares redutores totais (incluindo glicose e outros açúcares não fermentescíveis) de 30,2 g/L no hidrolisado enzimático.
Igualmente foi feito um estudo comparativo entre o processo descrito no referido documento US 7,354,743 e o processo da presente invenção. Utilizou-se 10% m/m de surfactantes comerciais na obtenção de correntes ricas em açúcares por hidrólise enzimática de lignocelulose. A dosagem de glicose foi efetuada após 24 horas. Os resultados são apresentados na Tabela 2.
Figure imgf000011_0001
Na presente invenção, empregando-se surfactante em sistema de sacarificação com maior teor de sólidos, observa-se que as concentrações de glicose nos meios hidrolisados são bem superiores e que após 24 horas as concentrações aumentam cerca de 40%.
Como já mencionado o processo da presente invenção, utiliza elevados teores de materiais lignocelulósicos sólidos mantidos em contato com preparados enzimáticos, sob agitação constante, em condições favoráveis de pH e temperatura, durante 8 horas até 150 horas. A fim de determinar novas estratégias para a obtenção de correntes com elevadas concentrações de açúcares, que podem ser usados para a obtenção de produtos de interesse para os setores petroquímico e de biocombustíveis, diferentes rotas de processamento foram experimentadas.
Assim, a presente invenção trata de um bioprocesso de batelada, o qual pode também ser alimentado ao longo do processo de forma intermitente, pelo menos segundo uma das três formas: material lignocelulósico, preparações enzimáticas e aditivos (surfactantes e glicóis). A Tabela 3 adiante apresenta como exemplo ilustrativo, não limitante, as concentrações de glicose e xilose obtidas pela co- sacarificação de material lignocelulósico proveniente de bagaço de cana- de-açúcar pré-tratado, conforme processos descritos nos pedidos de patente brasileiros PI 0505299-8 e PI 0605017-4, segundo as diferentes estratégias de alimentação. As concentrações de glicose e de xilose foram medidas após 72 horas e 144 horas de processamento.
Figure imgf000012_0001
Como se pode observar nos resultados alcançados, as estratégias descritas permitiram a obtenção de correntes mais ricas em açúcares, de forma que, na condução de processos fermentativos, sejam eles realizados sequencialmente ou simultaneamente à etapa de hidrólise, as concentrações de produtos de interesse sejam maiores, reduzindo, assim, os custos com separação e purificação dos produtos obtidos.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1- PROCESSO DE OBTENÇÃO DE CORRENTES COM ELEVADA CONCENTRAÇÃO DE AÇÚCARES FERMENTESCÍVEIS A PARTIR DE MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS, segundo o qual resíduos agrícolas e agroindustriais de composição lignocelulósica são submetidos à hidrólise química e enzimática, sendo que a matéria hemicelulósica é primeiramente hidrolisada com ácido sulfúrico diluído e ao material sólido resultante dessa hidrólise é aplicado um processo de sacarificação simultânea ou sequencial à fermentação alcoólica rápida, caracterizado por compreender a alimentação de uma elevada concentração de sólidos, in natura ou pré-tratado, com teores de 12% a 20% em peso de materiais lignocelulósicos sólidos no início do processo e, ao longo do processo, alimentação intermitente de pelo menos uma das seguintes formas: material sólido in natura ou pré- tratado, preparação enzimática e aditivos; os ditos materiais lignocelulósicos sendo mantidos em contato com concentrações de 5 FPU a 30 FPU (filter paper unit)/g de preparados enzimáticos, sob condições favoráveis de pH e de temperatura - na faixa de 30°C a 60°C - preferencialmente na faixa entre 35°C e 55°C, sob constante agitação desde o início do processo, liberando principalmente glicose e xilose, o tempo de contato do material celulósico com o preparado enzimático podendo variar de 8 horas até 150 horas.
2- PROCESSO DE OBTENÇÃO DE CORRENTES COM ELEVADA CONCENTRAÇÃO DE AÇÚCARES FERMENTESCÍVEIS A PARTIR DE MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por o preparado enzimático compreender a combinação de produtos comerciais e produtos próprios (home made), os quais apresentam destacada atividade de beta-glicosidases.
3- PROCESSO DE OBTENÇÃO DE CORRENTES COM ELEVADA CONCENTRAÇÃO DE AÇÚCARES FERMENTESCÍVEIS A PARTIR DE MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por os produtos próprios do preparado enzimático compreender enzimas celulásicas e hemicelulásicas, tais como xilanases, endoglucanases, exoglucanases e beta-glucosidases.
4- PROCESSO DE OBTENÇÃO DE CORRENTES COM ELEVADA CONCENTRAÇÃO DE AÇÚCARES FERMENTESCIVEIS A PARTIR DE MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por o pH do sistema ser mantido na faixa de 3,5 a 6,5, preferencialmente na faixa de 4,0 a 5,5.
5- PROCESSO DE OBTENÇÃO DE CORRENTES COM ELEVADA CONCENTRAÇÃO DE AÇÚCARES FERMENTESCIVEIS A PARTIR DE MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por a temperatura do sistema ser mantida na faixa de 30°C a 60°C, preferencialmente na faixa entre 35°C e 55°C.
6- PROCESSO DE OBTENÇÃO DE CORRENTES COM ELEVADA CONCENTRAÇÃO DE AÇÚCARES FERMENTESCIVEIS A PARTIR DE MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por as concentrações de açúcares aumentarem de 30% a 50%, em base mássica.
7- PROCESSO DE OBTENÇÃO DE CORRENTES COM ELEVADA CONCENTRAÇÃO DE AÇÚCARES FERMENTESCIVEIS A PARTIR DE MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser possível a utilização de aditivos, necessariamente etoxilados, tais como Poli(oxietileno)20 sorbitan monolaurato, Poli(oxietileno)20 sorbitan monooleato ou Polietilenoglicol para diminuir a adsorção improdutiva das enzimas ao material lignocelulósico e, consequentemente, aumentar o rendimento da hidrólise enzimática.
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