BRPI0611641A2 - processo de enriquecimento de resìduos lignocelulósicos em protéinas de levêdo - Google Patents
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- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
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Abstract
PROCESSO DE ENRIQUECIMENTO DE RESIDUOS LIGNOCELULóSICOS EM PROTEìNAS DE LêVEDO. Trata-se de da utilização de melaço de cana-de-açúcar e de resíduo de destilaria, para a aplicação de um processo de enriquecimento de resíduo lignocelulósico, notadamente de bagaço ou de palha, em proteína s de lêvedo. A presente invenção se refere também a esse processo de enriquecimento de resíduo lignocelulósico, assim como o produto tal como obtido.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção
"PROCESSO DE ENRIQUECIMENTO DE RESÍDUOSLIGNOCELULÓSICOS EM PROTEÍNAS DE LÊVEDO".
A presente invenção tem por objeto umprocesso de enriquecimento de um resíduo lignocelulósico, porexemplo de bagaço de cana-de-açúcar, em proteínas de lêvedo,compreendendo notadamente a utilização de melaço de cana-de-açúcar e de resíduo de destilação. Ela tem também por objeto obagaço enriquecido tal como obtido.
Certos dejetos das refinarias de açúcar e dasdestilarias de álcool são nocivos para o meio ambiente. Comefeito, a indústria açucareira produz duas toneladas de bagaço decana-de-açúcar, que é um resíduo sólido lignocelulósico fibrosooriundo da moagem da planta, por tonelada de açúcar refinado, oque representa em Cuba 10 a 20 milhões de toneladas de bagaçopor ano. Um outro subproduto poluente é o melaço de cana-de-açúcar que é um resíduo líquido muito rico em açúcares e emcertos sais minerais. Além disso, as destilarias de álcool,freqüentemente associadas à produção de açúcar de cana, emitemgrandes quantidades de compostos voláteis mais ou menosnocivos para o meio ambiente (principalmente o etanol). Asdestilarias de álcool lançam também no meio ambiente resíduosmuito poluentes, mas ricos em sais minerais. Assim, sempre emCuba, se estima que 1600 toneladas de etanol, um composto cujaemissão é submetida a controle, são lançadas cada ano naatmosfera.Recentemente, em resposta a uma legislaçãocada vez mais estrita, numerosas pesquisas foram feitas paradesenvolver processos biológicos de despoluição dos efluentesgasosos, simples, baratos, e particularmente bem adaptados aotratamento de grandes quantidades de ar ligeiramentecontaminado (por exemplo, a biofiltragem).
Os processos anteriores de biofiltragem doetanol, a partir de bagaço de cana-de-açúcar compreendem autilização de um meio mineral caro (33% do custo total doprocesso), o meio mineral de Thomas et Dawson (ver composiçãono artigo Christen P, Domenech F, Michelena G. Auria R, RevahS (2002) Biofiltration of volatile ethanol using sugar cane bagasseinoculated with Candida utilis. Journal of Hazardous Materials,89(2/3): 253-265).
A presente invenção tem por finalidade fornecerum processo, permitindo, por um lado, valorizar o bagaço decana-de-açúcar e, por outro lado, limitar as importantes emissõesde etanol na atmosfera.
A presente invenção tem por finalidade forneceresse processo correspondente a um método de tratamentobiológico eficaz e bar ato, que encontra aplicações na escalaindustrial, notadamente nos países tropicais produtores de açúcarde cana e/ou de álcool.
A presente invenção tem por finalidade fornecerum processo no qual o lêvedo aumenta diretamente sobre umsuporte lignocelulósico (bagaço, por exemplo) para produzir umalimento para o gado. Ela não tem necessidade de ser cultivadaem meio líquido em uma primeira etapa, separada desse meio(centrifugação ou filtragem), antes de ser misturada ao bagaço.
A presente invenção se refere à utilização demelaço de cana-de-açúcar e resíduo de destilaria, para a aplicaçãode um processo de enriquecimento de resíduo lignocelulósico,notadamente bagaço ou de palha, em proteínas de lêvedo.
A expressão "melaço de cana-de-açúcar"designa um resíduo líquido muito rico em açúcares e em certossais minerais (Biart, Serrano e Conde, 1982, Ed. ICIDCA, LaHavane, Cuba, "Estúdio de Ias mieles de Ia canade azúcar").
No âmbito da presente invenção, o melaço decana-de-açúcar é utilizado como meio de cultura para preparar oinoculum ativo, a partir de uma cepa de lêvedo forrageiro.
O resíduo de destilaria é tal como descrito noartigo de Obaya, Vald es e Ramos (1994, Acta Biotechnol, 14(2),193-198) ou na referência "Manual de Ios derivados de Ia Cana deAzucar", 3a edición, Ciudad Habana, ICIDCA, 2000, capítulo 6.1.Editor: Luis Galvez Taupier.
O resíduo de destilaria é um efluente poluenteácido, rico em sais minerais comumente jogado em cursos d'água.No âmbito da presente invenção, o resíduo é utilizado como fontede sais minerais.
O resíduo lignocelulósico é um resíduo sólido,oriundo da moagem de plantas. Como exemplo de resíduolignocelulósico, pode-se citar a palha, que designa de maneirageral uma haste cortada de certas plantas, o feno, a serragem oufavos de beterraba de açúcar.
O bagaço é tal como descrito na referência:"Manual de Ios derivados de Ia Cana de Azucar", 3a edición,Ciudad Habana, ICIDCA, 2000, capítulo 2.2. Editor: Luis GalvezTaupier.
No âmbito da presente invenção, o bagaço, queé um subproduto da indústria açucareira, é utilizado como suportesólido para o processo.
O processo de enriquecimento permite obterbagaço enriquecido em proteínas de lêvedo e contendonotadamente pelo menos aproximadamente 8% de proteínas emrelação ao peso seco total do bagaço.
De acordo com um modo de realizaçãovantajoso, a utilização, de acordo com a invenção, é caracterizadapelo fato de o processo de enriquecimento de bagaço em proteínasde lêvedo compreende uma etapa de preparo de um inoculumativo por incubação de pelo menos uma cepa de lêvedo forrageira,notadamente Candida utilis com o melaço de cana-de-açúcar.
Por "cepa de lêvedo forrageira", designas-se umlêvedo rico em proteínas de elevado valor nutricional, tal comodescrita na referência "Manual de Ios derivados de Ia Cana deAzucar", 3a edición, Ciudad Habana, ICIDCA, 2000, capítulo 4.8.Editor: Luis Galvez Taupier. Dentre os microorganismos"Forrageiros", podem-se citar também certos cogumelosfilamentosos (ou microscópicos) de tipo Aspergillus, ou o lêvedoSaccharomyces eerevisiae (lêvedo de padaria).
A presente invenção se refere também àutilização tal como definida acima, caracterizada pelo fato de oprocesso de enriquecimento de bagaço em proteínas de lêvedocompreende uma etapa de colocação em cultura do inoculumativo, tal como definido acima, como resíduo de destilaria sobre obagaço de cana-de-açúcar.
A presente invenção se refere também a umprocesso de enriquecimento de resíduo lignocelulósico,notadamente de bagaço, em proteínas de lêvedo, compreendendoas seguintes etapas:
- o preparo de um inoculum ativo por incubaçãode pelo menos uma cepa de lêvedo forrageira, notadamenteCandida utilis, com melaço de cana-de-açúcar; e
- o acréscimo em contínuo ao resíduolignocelulósico, notadamente ao bagaço de cana-de-açúcar, quefoi colocado(a) em presença desse inoculum ativo com o resíduode destilaria, de etanol, notadamente gasoso, ou de vapores deetanol, como fonte de carbono, permitindo o consumo do etanolpelo lêvedo mencionado e a produção de resíduo lignocelulósico,notadamente bagaço, enriquecido em proteínas de lêvedo.
De acordo com um modo de realizaçãopreferido, a presente invenção compreende a utilização de umacepa de Candida utilis, também, denominada Torula utilis("Manual de Ios derivados de Ia Cana de azucar", 3a edición,Ciudad Habana, ICIDCA, 2000, capítulo 6.1. Editor: Luis GalvezTaupier).
De acordo com o processo da invenção, oinoculum ativo forma com o resíduo de destilaria uma misturalíquida que é em seguida misturada ao bagaço que serve desuporte sólido.
O processo da invenção é um processo aeróbico(que necessita da presença de oxigênio).
A presente invenção se refere também a umprocesso de enriquecimento de bagaço em proteínas de lêvedo,compreendendo as seguintes etapas:
- o preparo de um inoculum ativo por incubaçãode pelo menos uma cepa de lêvedo forrageira, notadamenteCandida utilis, com melaço de cana-de-açúcar;
- a colocação em cultura desse inoculum ativocom o resíduo de destilaria sobre o bagaço de cana-de-açúcar; e
- o acréscimo em contínuo ao bagaço de cana-de-açúcar, de etanol como fonte de carbono, permitindo oconsumo de etanol pelo lêvedo mencionado e a produção debagaço enriquecido em proteínas de lêvedo.
De preferência, o etanol acrescentado emcontínuo está em fase gasosa. Assim, o processo da invençãopermite eliminar o etanol de uma atmosfera poluída por este.
A originalidade do processo da invenção sebaseia na utilização de bagaço de cana-de-açúcar, que é umsubproduto da indústria açucareira, de resíduo de destilaria que éum efluente poluente, geralmente jogado em um curso d'água,rico em sais minerais e de vapores de etanol oriundos de perdaspor evaporação, quando da fermentação alcoólica, para se obterum alimento para o gado, enriquecido em proteínas.
Com efeito, o bagaço é, às vezes, utilizadocomo alimento para o gado, à condição de ser completada emproteínas que podem ser de origem vegetal (soja) ou microbiana(lêvedos). Assim, o processo da invenção permite produzir umbagaço enriquecido em proteínas, a partir de um inoculum ativo.Com efeito, o mais comum na técnica anterior é produzir o lêvedoem meio líquido, separá-lo do meio por centrifugação e emseguida misturá-lo ao bagaço.
Para inseminar o bagaço, é precisovantajosamente pelo menos 5 χ IO6 lêvedos por grama de bagaçoseco, notadamente para diminuir o tempo de latência e ter umcrescimento rápido e evitar uma possível contaminaçãomicrobiana.
Para fixar as idéias, a taxa de multiplicação doinoculum ativo sobre o bagaço nas condições descritasanteriormente é de aproximadamente 100 em aproximadamente 7dias.
De acordo com um modo de realizaçãovantajoso, o processo de enriquecimento de bagaço em proteínasde lêvedo da presente invenção compreende as seguintes etapas:- o preparo de um inoculum ativo por incubaçãode pelo menos uma cepa de lêvedo forrageira, notadamenteCandida utilis, com de cana-de-açúcar.;
- a mistura do inoculum ativo tal como obtidona etapa precedente com o resíduo de destilaria;
- a colocação em presença da mistura, tal comoobtido na etapa precedente, sobre o bagaço de cana-de-açúcar; e
- o acréscimo em contínuo ao bagaço de cana-de-açúcar, de etanol como fonte de carbono, permitindo oconsumo do etanol pelo lêvedo mencionado e a produção debagaço enriquecida em proteínas de lêvedo.
Essa etapa de mistura de líquidos (resíduo dedestilaria e inoculum ativo) em presença de um sólido (bagaço)permite homogeneizar mais facilmente os líquidos e o bagaço.
De acordo com um modo de realizaçãovantajoso, o processo de enriquecimento de bagaço em proteínasde lêvedo da invenção compreende as seguintes etapas:
- o preparo de um inoculum ativo por incubaçãode pelo menos uma cepa de lêvedo forrageira, notadamenteCandida utilis, com o melaço de cana-de-açúcar;
- o enchimento de um reator com bagaço decana-de-açúcar, inoculum ativo, tal como obtido na etapaprecedente e resíduo de destilaria; e
- a alimentação em contínuo desse reator cheiosegundo a etapa precedente, com vapores de etanol, permitindo oconsumo desses vapores de etanol pelo lêvedo mencionado e aprodução de bagaço enriquecida em proteínas de lêvedo.
De acordo com um modo particular derealização, o bagaço é colocado em sacos em fibra sintética,podendo conter entre 3 e 17 quilogramas de bagaço úmido(correspondendo ao meio inicial) de uma malha suficiente paradeixar passar e se propagarem os gases e bem apertada todaviapara conter o bagaço e evitar que ele se disperse. Isto permitefacilitar o manejo do bagaço úmido no momento de colocá-lo noreator e também, facilitar o manejo do produto acabadodiretamente utilizável para o gado.
A presente invenção se refere também a umprocesso de enriquecimento de bagaço em proteínas de lêvedo, talcomo definido acima, compreendendo as seguintes etapas:
- o preparo de um inoculum ativo por incubaçãode pelo menos uma cepa de lêvedo forrageira, notadamenteCandida utilis, como o melaço de cana-de-açúcar;
- o enchimento de um reator com o bagaço decana-de-açúcar e inoculum ativo, tal como obtido na etapaprecedente, colocado em cultura com o resíduo de destilaria; e
- a alimentação em contínuo desse reator cheiosegundo a etapa precedente, com vapores de etanol, permitindo oconsumo desses vapores de etanol pelo lêvedo mencionado e aprodução de bagaço enriquecido em proteínas de lêvedo.A presente invenção se refere também a umprocesso de enriquecimento de bagaço em proteínas de lêvedo, talcomo definido acima, compreendendo as seguintes etapas:
- o preparo de um inoculum ativo por incubaçãode pelo menos uma cepa de lêvedo forrageira, notadamenteCandida utilis, com melaço de cana-de-açúcar;
- a mistura do inoculum ativo, tal como obtidana etapa precedente com resíduo de destilaria;
- o enchimento de um reator com a mistura talcomo obtida na etapa precedente e o bagaço de canalização; e
- a alimentação em contínuo desse reator cheio,segundo a etapa precedente, com vapores de etanol, permitindo oconsumo desses vapores de etanol pelo lêvedo mencionado e aprodução de bagaço enriquecida em proteínas de lêvedo.
No processo da invenção, não é necessárioregular o pH do meio. Ao contrário, a acidificação observada (atéum pH de 2,5) permite limitar a contaminação bacteriana.
Também, não necessário regular a temperatura.Com efeito, uma parte do excesso de calor metabólico é eliminadagraças à recirculação do meio líquido, esta tendo por finalidadeprimeira evitar a secagem do meio. Uma outra parte do calormetabólico é eliminada com a corrente gasosa que alimenta oreator.
De acordo com um modo de realizaçãovantajoso, no processo da invenção, o bagaço decana é o bagaçofresco moído, cujas partículas têm um dia compreendido deaproximadamente 0,1 a aproximadamente 5 mm, e de preferênciacompreendido de aproximadamente 0,54 mm a aproximadamente3 mm.
As partículas utilizadas são pequenas, a fim dedispor de uma área volumétrica específica a maior possível.
Todavia, caso de trabalhe com partículas ainda menores, o pó(bagaço) será muito compacto, o que corre o risco de acarretarproblemas de difusão dos gases (oxigênio e etanol) e resíduo dedestilaria, através do suporte.
Um processo vantajoso, segundo a presenteinvenção, é caracterizado pelo fato de o melaço de canalizaçãoutilizado na etapa de preparo do inoculum é completado comnitrogênio, e notadamente sulfato de amônio e fosfato de amônio.
A utilização desses dois sais de nitrogêniopermite aumentar a quantidade de lêvedo produzida. Com efeito,quando não se utilizam complementos, o melaço não é bem rico eo crescimento do lêvedo é menor.
De acordo com a presente invenção, o inoculumé produzido a partir de melaço de cana-de-açúcar, que é umsubproduto da extração do açúcar. Ora, nos processos anterioresconhecidos, o meio de cultura utilizado é, por exemplo, umasolução de glicose e um extrato de lêvedo, que são ingredientesmais caros.
A presente invenção se refere também a umprocesso tal como definido acima, caracterizado pelo fato de acepa de lêvedo é incubada em presença de aproximadamente 22 aaproximadamente 82 g.L"1, notadamente aproximadamente 42 aaproximadamente 62 g.L"1, e, de preferência, aproximadamente52 g.L"1, de melaço, de aproximadamente 3 a aproximadamente 8g.L"1, notadamente de aproximadamente 4 a aproximadamente 7g.L"1, e, de preferência, aproximadamente 5,5 g.L"1, de sulfato deamônio, e de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 2 g.L"1, e,de preferência, aproximadamente 1,2 g.L"1, de fosfato de amônio.
De acordo com um modo de realizaçãovantajosos, a composição do meio par a o inoculum é a seguinte(para um litro): 52 g de melaço (diluição: 1:17); 5,45 g de sulfatode amônio e 1,22 g de fosfato de amônio. Essa adaptação do meiode preparo do inoculum permite produzir um inoculum ativo, istoé, a fase de latência é curta e que, por conseguinte, o crescimentodo lêvedo começa muito rapidamente sobre o bagaço, eligeiramente mais denso (pelo menos 1,75 χ IO8 células/ml) doque quando se utiliza glicose e extrato d elevação para o preparodesse meio.
De acordo com um modo de realizaçãovantajoso, o processo da invenção é caracterizado pelo fato de aetapa de incubação da cepa de lêvedo com o melaço de cana-de-açúcar é efetuada a uma temperatura de aproximadamente 25 aaproximadamente 35°C, e, de preferência, igual aaproximadamente 3O0C, durante um período que varia deaproximadamente 15 horas a aproximadamente 22 horas, e depreferência durante um período de aproximadamente 18 horas.A presente invenção se refere também a umprocesso, tal como definido acima, caracterizado pelo fato de oresíduo de destilaria ser previamente enriquecido em sais denitrogênio e em sais de magnésio, esse resíduo de destilariasendo, de preferência, previamente enriquecido em sulfato deamônio, à razão de aproximadamente 73 g.L"1, em fosfato deamônio à razão de aproximadamente 22 g.L"1 e em sulfato demagnésio à razão de aproximadamente 7 g.L"1'
O fato de utilizar o resíduo de destilariaenriquecido em sulfato de amônio, em sulfato de magnésio e emfosfato de amônio permite um crescimento muito importante dolêvedo, o que acarreta um aumento da capacidade de eliminaçãodos vapores de etanol.
Um processo vantajoso, segundo a presenteinvenção, é caracterizado pelo fato de a cepa de lêvedo seradicionada em água, a fim de se obter uma taxa de umidade deaproximadamente 60 a aproximadamente 75%, e de preferênciade aproximadamente 65% em relação ao peso total do bagaçoúmido.
Essa quantidade de água permite saturar obagaço em água, o que favorece o crescimento do lêvedo.
De acordo com um modo de realizaçãovantajoso, no processo da presente invenção, o reator éalimentado pelo etanol à razão de aproximadamente 10 g.h"1. m~3de reator a aproximadamente 200 g.h^.m"3 de reator, e depreferência à razão de aproximadamente 150 a aproximadamente200g.h"1.m"3 de reator.
Uma das particularidades do processo dainvenção se baseia no fato de ser importante não ultrapassar umaconcentração em etanol de 10 g.m" na corrente gasosa. Depreferência, a concentração em etanol está compreendida de 6 a 8g.m" de ar. Essa faixa de concentração em etanol no ar quealimenta o reator deve limitar os fenômenos de inibição dometabolismo do lêvedo e a produção de metabólitos voláteisintermediários que podem ser tóxicos (acetaldeído).
A presente invenção se refere também a umprocesso tal como definido acima, caracterizado pelo fato de aetapa de alimentação do reator em etanol ser feita em contínuonotadamente durante aproximadamente 7 dias à temperaturaambiente.
De acordo com um modo de realizaçãovantajoso, no processo segundo a presente invenção, o reator podeser alimentado com etanol em fluxo descendente e/ou em fluxoascendente.
De forma vantajosa, o reator é alimentado cometanol em fluxo descendente.
Com efeito, quando se alimenta o reator emfluxo ascendente, pode-se encontrar o seguinte problema: umaforte condensação do vapor de água próximo da saída do reator(parte superior), o que acarreta uma perda de carga e favorece acontaminação microbiana.Quando se alimenta o reator com fluxodescendente, os problemas de condensação na parte alta do reatordesaparecem, pois a água que teria podido se acumular na base doreator é eliminada naturalmente por gravidade.
Também é possível utilizar em alternância ofluxo descendente e o fluxo ascendente, o que permitehomogeneizar o crescimento do lêvedo por toda a altura do reator.
A presente invenção se refere também a umprocesso tal como definido acima, caracterizado pelo fato de aparte superior do reator ser aspergida por uma solução de resíduode destilaria, tal como definida acima, previamente enriquecidaem sais de nitrogênio e em sais de magnésio, tais como definidosanteriormente.
De acordo com um modo de realizaçãovantajoso, a parte superior do reator é aspergida pelo resíduo dedestilaria em excesso que é drenado em um cone situado na basedo reator, por uma bomba ativada durante 5 minutos a cada hora.
Esse líquido que recircula corresponde ao resíduo de destilariainicialmente acrescentado ao bagaço. A bomba de recirculaçãoutilizada a uma vazão compreendida de 0,1 a 0,4 ml/minuto e, depreferência, igual a 0,25 ml/minuto.
De acordo com um modo de realizaçãovantajoso, para prevenir os problemas de elevação da temperaturae da subseqüente secagem, no sistema de umedecimento do meio,a torre de umedecimento do ar que alimenta o reator é substituídapor um umedecimento direto do meio por aspersão descontínuapor cima do reator. Isto tem por efeito diminuir os fenômenos desecagem (umedecimento mais eficaz) e controlar a elevação datemperatura graças à energia consumida, quando da evaporaçãodessa água. Além disso, trata-se de um método muito maiseconômico do que o umedecimento prévio do ar.
Assim, o umedecimento por recirculação da faselíquida, associada à utilização de resíduo de destilariacomplementada, conforme descrito acima, permite umcrescimento mais considerável do lêvedo e um aumento dacapacidade de eliminação do etanol.
A presente invenção se refere também a umprocesso tal como definido acima, caracterizado pelo fato de aágua ser acrescentada pontualmente no decorre do processo,notadamente em uma quantidade compreendida de 50 ml a 200ml por litro de reator e por dia, o que corresponde a umaquantidade compreendida de 1 a 2 litros para um volume de meiode cultura de aproximadamente 16 litros.
De acordo com um modo de realizaçãopreferido, o processo da invenção é caracterizado pelo fato decompreender uma etapa final suplementar que consiste em secarcom ar seco o produto final correspondente ao bagaço enriquecidocom proteínas de lêvedo, e em recuperar o produto assim secado,isto a fim de facilitar sua estabilidade, sua conservação e seueventual transporte.
Um processo vantajoso é um processo tal comodefinido acima, caracterizado pelo fato de o bagaço enriquecidocom proteínas de lêvedo apresentar uma taxa de proteínas deaproximadamente 5 a aproximadamente 17%, e, de preferência,de aproximadamente 17% em relação ao peso total de bagaçoseco.
A presente invenção se refere igualmente a umproduto tal como o obtido de acordo com o processo tal qualdefinido acima.
O processo da presente invenção podenotadamente ser utilizado principalmente no domínio ambiental,para permitir, por um lado, a redução da poluição dos cursosd'água, onde é derramado o resíduo de destilaria rico em saisminerais e com pH ácido (da ordem de 4) (Delbecq D, O açúcar,uma doçura amarga para meio-ambiente, Libération, 22 denovembro de 2004) e, por outro lado, para permitir a redução dapoluição atmosférica pelos vapores de etanol oriundos das cubasde destilação (essa molécula volátil, embora considerada comopouco tóxica, constitui, no entanto, o objeto de uma legislação naEuropa: um indivíduo não deve ser exposto durante mais de 8 h auma concentração de 1000 ppm no ar (Cioci F, Lavecchia R,Ferranti MM (1997) High-performance microbial removal ofethanol from contaminated air. Biotech. Techniques, 11:893-898)).
O processo da presente invenção podeigualmente ser utilizado no domínio alimentar, considerando-seque o produto acabado constitui um alimento para o gado(ruminantes) rico em fibra e enriquecido com proteínas. Ele éparticularmente interessante nos países que têm um déficit deproteínas na alimentação animal (Cuba, índia) e/ou produtores decana de açúcar (Brasil, índia, Cuba, México, etc.).
PARTE EXPERIMENTAL
A presente invenção resulta de experiências queconsistem em testar as capacidades de várias cepas do lêvedoCandida utilis para:
- eliminar o etanol (emitido pelas destilarias deálcool, cervejarias ou as padarias industriais) e transformá-los emCO2 e H2O (oxidação total) graças a um processo de biofiltragem,
- e/ou utilizar esse etanol a fim de produzirbiomassa (proteínas unicelulares) para a alimentação animal.
As experiências feitas no âmbito da presenteinvenção foram realizadas na escala piloto. Mais exatamente, elasforam efetuadas com um reator piloto de 20 litros.
Durante os primeiros testes, a CE (capacidadede eliminação) do etanol média observada é de 120 g/h.m deetanol (período de 12 dias) e no 16° dia, a biomassa produzida éda ordem de 129 g/kg de bagaço. A CE dos vapores de etanol écalculada, de acordo com a seguinte equação:
CE = (C2 - CS)*F /V (1)
Com CE: capacidade de eliminação (g/h.m )Ce e Cs: concentração de etanol na entrada ena saída do reator (g/m3)
F: aeração (m3/h)
V: volume do reator (m3)De acordo com um modo de realizaçãopreferido, o sentido da alimentação com ar + etanol foi invertido(fluxo descendente). Os problemas de condensação na parte altado reator desapareceram, e na base do reator, a fase líquida (águae/ou resíduo de destilaria) que teria podido se acumular éeliminada naturalmente por gravidade.
De acordo com um outro modo de realizaçãopreferido, a torre de umedecimento do ar que alimenta ao reator ésubstituída por um umedecimento direto do meio por aspersãodescontínua pelo alto do reator. Isto tem por efeito diminuir osfenômenos de secagem (umedecimento mais eficaz) e controlar aelevação da temperatura graças à energia consumida, quando daevaporação dessa água. Além disso, é um método deumedecimento do meio muito mais econômico do que oumedecimento do ar que necessita de uma torre de um volumeequivalente àquele do reator.
Por outro lado, considerando-se o custo do meiomineral de Thomas e Dawson (Christen P, Domenech F,Michelena G. Auria R, Revah S (2002) Biofiltration of volatileethanol using sugar cane bagasse inoculated with Candida utilis.Journal of Hazardous Materials, 89 (2/3): 253-265), esse meiomineral foi substituído pelo resíduo de destilaria produzidoquando da fermentação alcoólica que utiliza o melaço de cana-de-açúcar como substrato. O resíduo de destilaria é um efluente ácidoe rico em sais minerais comumente lançado nos cursos de água,poluindo-os. Ele é utilizado a uma proporção de 1,04 L por kg debagaço e devidamente completado por fontes baratas denitrogênio (sulfato de amônio, 73 g/l e fosfato de amônio, 22 g/l)e de magnésio (sulfato de magnésio, 7 g/l).
Essas duas modificações (umedecimento porrecirculação da fase líquida e utilização do resíduo de destilariacomplementado) permitiram um crescimento mais importante dolêvedo no módulo de entrada (356 g/kg de bagaço), assim comoum aumento da CE do etanol (eliminação de 99,8 % de uma cargade 186 g.h.m"3).
De acordo com um modo de realizaçãopreferido, utilizou-se um fluxo de aeração mais importante semmodificar a carga (o que implica em diminuir a concentração deetanol na entrada a valores da ordem de 8 g/m3 ). Essaconcentração relativamente menor em etanol no ar que alimenta oreator deve limitar os fenômenos de inibição do metabolismo dolêvedo e a produção de metabólitos voláteis intermediáriospodendo ser tóxicos (acetaldeído). Esse modo de realizaçãopermite assim evitar uma grande heterogeneidade longitudinal daconcentração em biomassa no reator, com um crescimento dolêvedo muito mais considerável no módulo de entrada do etanol(356 g/kg de bagaço) do que no módulo de saída (76 g/kg debagaço), que tem por conseqüência um funcionamento parcial doreator em termos de CE, com mais de 85 % do etanol eliminadono módulo de entrada e somente 2 % no módulo de saída(observado quando do terceiro teste desse reator piloto).O aumento do fluxo de ar permitiu melhorrepartição do consumo do etanol (57,5 % no módulo de entrada, e8,9 % na saída) e da biomassa produzida (208 e 81 kg de bagaçonos módulos de entrada e de saída respectivamente). A CE médiado sistema é de 161 g.h.m".
De acordo com um outro modo de realizaçãopreferido, o reator é alimentado de forma alternada com ar +etanol: um dia em dois por cima e um dia em dois por baixo.Assim, esse modo de realização permite melhorar ainda ahomogeneidade do crescimento no reator.
Considerando-se os grandes volumes deinoculum necessários para inseminar o meio (0,57 l/kg de matériaseca), foi decidido produzir o inoculum a partir de melaço decana-de-açúcar, subproduto da extração do açúcar, ao invés dasolução de glicose e de extrato de lêvedo utilizada na escalalaboratório, muito mais onerosa. A composição do meio para oinoculum é a seguinte (por litro): melaço, 52 g (diluição 1:17);sulfato de amônio, 5,45 g; fosfato de amônio, 1,22 g. Essamudança permitiu produzir um inoculum todo ativo e mais densodo que o precedente (1,75 χ IO8 células/ml contra 1,53 χ IO8células/ml) em uma duração idêntica (22 h) e a um custo menor.
EXEMPLO
Etapas essenciais do processo
1. Preparo do bagaço: toma-se o bagaço, depreferência, fresco, que mói para serem obtidas partículasinferiores a 20 mm;2. produção do inoculum em meio líquido apartir do melaço devidamente completado em sulfato de amônio efosfato de amônio (incubação entre 15 e 20 horas), para se obter oinoculum ativo ao cabo de 14 horas (aproximadamente de 14a 18horas);
3. preparo do meio de cultura "sólido" sobre obagaço, misturando-se o inoculum ativo, o resíduo de destilariapreviamente enriquecido em sais de nitrogênio e de magnésio e aquantidade de água necessária para se obter uma umidade de65%;
- enchimento do reator e alimentação comvapores de etanol por fluxo ascendente ou descendente; e
5. recirculação periódica da fase líquida (5 mincada hora).
Produtos de partida
Com exceção do lêvedo, podem todos serconsiderados em diversos graus como exemplos de subprodutospoluentes da indústria agro-alimentícia: destilarias (resíduo dedestilaria e vapores de etanol), refinarias de açúcar (bagaço decana).
O melaço de cana-de-açúcar pode ser utilizadocomo meio de cultura para a produção do inoculum de partida.
O lêvedo empregado por ser Candida utilis.
Produto finalBagaço de cana enriquecido com proteínas delêvedo para a alimentação para o gado (teor mínimo: 8 % deproteínas).
Proporções de cada constituinte
Com base em um kg de bagaço (seca), seutilizam:
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Descrição detalhada
Um bioreator de 20 litros, composto de 3módulos em plexiglas subiu (Aizpuru A., Dunat D., Christen P.,Auria R., Garcia-Pena I., Revah S. (200 5) Fungai biofiltrationopf toluene on ceramic rings. Journal of EnvironmentalEngineering, 131: 396 - 402).
Volume útil do reator: 19,83 L; composto de 3módulos (volume de cada um: 6,61 L; diâmetro: 18 cm; altura: 26 cm).
O ar é alimentado graças a uma bomba e o fluxode ar é regulado por medidor de vazão equipado com uma válvulacom punção. O mesmo acontece com o ar que borbulhar em umrecipiente contendo o etanol (líquido). O ajuste desse fluxopermite fixar com precisão a concentração em etanol no ar queentra no reator.
Cada módulo é equipado com um porto deretirada de amostrar do suporte (bagaço) no meio de cada módulo,a fim de seguir a evolução do pH, da umidade e do crescimentodo lêvedo. Este é determinado por contagem das células aomicroscópio e pela determinação de proteína total pelo método deBarnstein (Winton A.L. e Winton K.B., 1983, Métodos químicosgenerales: proteínas. Análisis de Ios Alimentos. Editorial PuebloY Educación, La Havane, Cuba). Cada módulo é tambémequipado de portos de amostras do ar (entrada e saída), a fim dedeterminar as concentrações de etanol, de CO2 e de eventuaismetabólitos voláteis (acetaldeído e acetato de etila) no ar. Istopermite seguir o comportamento do reator e no fim da experiênciafazer um balanço carbono.
Funcionamento
A mistura ar + etanol é alimentada no reator emcontínuo seja em um único sentido (ascendente ou descendente),seja de forma alternada. De forma periódica, asperge-se o topo doreator com água e às vezes (no caso em que se observa umadiminuição da eficácia de eliminação do etanol), uma solução deresíduo de destilaria diluída e complementada em N e P pode seracrescentada. O lêvedo consome o etanol e o transforma embiomassa - tanto que não aparece uma limitação de um dosnutrientes - e em CO2. O processo não necessita nem deregulagem de temperatura, nem regulagem de pH.Quando o crescimento é concluído (ao cabo deuma semana aproximadamente) passa-se do ar seco no reator afim de secar o produto e melhorar seu tempo de conservação.
Uma das vantagens desse processo é que olêvedo produz ácidos (em particular o ácido acético) que baixamo pH do meio a valores de 2,5 a 3, o que limita muito acontaminação do meio por outros microorganismos (bactérias emparticular).
RESULTADOS
Várias experiências foram feitas e os resultadosobtidos são os seguintes:
Condições operacionais
Umidade inicial do bagaço 65 %
Taxa de inoculação 1,78 χ IO6 lêvedos/ bagaço
pH inicial 6
O meio de cultura tem a seguinte composição:Bagaço seco (1 kg)
Resíduo de destilaria (1,04 1);
Solução mineral 1 (490 ml)
Solução mineral 2 (49,2 ml)Inoculum (622 ml).
A solução mineral 1 tem a seguinte composição(para 1 1): 155 g de (NH4)SO4 e 46,78 g de (NH4)2HPO4 .
A solução mineral 2 tem a seguinte composição(para 100 ml): 14,88 g de MgSO4.O bagaço é lavado, secado e peneirado(diâmetro de partículas entre 0,54 e 3 mm) e esterilizado 1 horas a121°C. Ele é em seguida misturado de forma não estéril aos sais,resíduo de destilaria e inoculum e introduzido no reator.
O reator é em seguida alimentado com etanol(corrente descendente) com uma carga d aproximadamente 200g/h.m3 durante 10 dias, depois de 150 g/h.m3 nos 6 dias seguintes.Para isto, o fluxo de ar alimentado variou de 480 a 1200 L/h e aconcentração em etanol no ar variou de 2 a 9 g/m3.
A eficácia de eliminação (EE) é de 100 %durante os 6 primeiros dias, depois caiu até 60 % no 7 0 dia. A fimde restabelecer essa EE, acrescentou 1 1 de solução mineral,contendo 59,3 g de (NH4)SO4 e 17,9 g de (NH4)2HPO4 e 5,66 gde MgSO4. Acrescentou-se também 1 1 de água estéril por dia noreator a fim de compensar a água perdida por evaporação e assimevitar a secagem do meio.
Ao longo da experiência, obteve-se umacapacidade de eliminação (CE) que varia de 130 a 220 g/h.m . Abiomassa máxima foi atingida ao cabo de 8 dias com os seguintesteores em proteínas: 13,7; 5,8 e 5,1 g para 100 g de bagaço seco,nos módulos de entrada, do meio e de saída, respectivamente, sejaum teor médio de 8,2 g para 100 g de bagaço seco no conjunto doreator. O pH final é de 2,6; 2,5 e 2,3 nos módulos de entrada, domeio e de saída, respectivamente.
Produção do inoculum'.A cepa de lêvedo (uma ose) é introduzida emum Erlenmeyer contendo o melaço (52 g/l) e completada emsulfato de amônio (5,45 g/l) e fosfato de amônio (1,22 g/1). Orecipiente é em seguida colocado sobre um incubador de agitaçãoorbital (200 rpm) a 30°C. Taxa de inoculação: 1,78 χ IO6 lêvedo/gbagaço.
Claims (23)
1. Utilização de melaço de cana-de-açúcar e deresíduo de destilaria, para a aplicação de um processo deenriquecimento de resíduo lignocelulósico, notadamente debagaço ou de palha, em proteínas de lêvedo.
2. Utilização, de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de o processo de enriquecimento debagaço em proteínas de lêvedo compreende uma etapa de preparode inoculum ativo por incubação de pelo menos uma cepa delêvedo forrageira, notadamente Candida utilis com melaço decana-de-açúcar.
3. Utilização, de acordo com a reivindicação 2,caracterizada pelo fato de o processo de enriquecimento debagaço em proteínas de lêvedo compreende uma etapa decolocação em cultura do inoculum ativo, tal como definido nareivindicação 2, com a velocidade de destilaria sobre bagaço decana-de-açúcar.
4. Processo de enriquecimento de resíduolignocelulósico, notadamente de bagaço em proteínas de lêvedo,compreendendo as seguintes etapas:- o preparo de um inoculum ativo por incubaçãode pelo menos uma cepa de lêvedo forrageira, notadamenteCandida utilis, com melaço de cana-de-açúcar; e- o acréscimo em contínuo ao resíduolignocelulósico, que foi colocado em presença desse inoculumativo com o resíduo de destilaria, de etanol, notadamente gasoso,como fonte de carbono, permitindo o consumo do etanol pelolêvedo mencionado e a produção de resíduo lignocelulósicoenriquecido em proteínas de lêvedo.
5. Processo de enriquecimento de resíduolignocelulósico, notadamente de bagaço em proteínas de lêvedo,compreendendo as seguintes etapas:- o preparo de inoculum ativo por incubação depelo menos uma cepa de lêvedo forrageira, notadamente Candidautilis, com melaço de cana-de-açúcar;- a colocação em cultura desse inoculum ativocom o resíduo de destilaria sobre o resíduo lignocelulósico,notadamente sobre o bagaço de cana-de-açúcar; e- o acréscimo em contínuo ao resíduolignocelulósico, notadamente ao bagaço de cana-de-açúcar, deetanol como fonte de carbono, permitindo o consumo do etanolpelo lêvedo mencionado e a produção de resíduo lignocelulósicoenriquecimento em proteínas de lêvedo, notadamente de bagaçoenriquecido em proteínas de lêvedo.
6. Processo de enriquecimento de bagaço emproteínas de lêvedo, de acordo com a reivindicação 4,compreendendo as seguintes etapas:- o preparo de um inoculum ativo por incubaçãode pelo menos uma cepa de lêvedo forrageira, notadamenteCandida utilis, com melaço de cana-de-açúcar;- a mistura do inoculum ativo tal como obtidona etapa precedente com resíduo de destilaria;- a colocação em presença da mistura tal comoobtido na etapa precedente sobre o bagaço de cana-de-açúcar; e- o acréscimo em contínuo ao bagaço de cana-de-açúcar, de etanol, notadamente gasoso, como fonte de carbono,permitindo o consumo do etanol pelo lêvedo mencionado e aprodução de bagaço, enriquecido em proteínas de lêvedo.
7. Processo de enriquecimento de bagaço emproteínas de lêvedo, de acordo com a reivindicação 4,compreendendo as seguintes etapas:- o preparo de um inoculum ativo por incubaçãode pelo menos uma cepa de lêvedo forrageira, notadamenteCandida utilis, com melaço de cana-de-açúcar;- o enchimento de um reator com bagaço decana-de-açúcar, e de inoculum ativo, tal como obtido na etapaprecedente e resíduo de destilaria; e- a alimentação em contínuo desse reator cheiosegundo a etapa precedente, com vapores de etanol, permitindo oconsumo desses vapores de etanol pelo lêvedo mencionado e aprodução de bagaço enriquecimento com proteínas de lêvedo.
8. Processo de enriquecimento de bagaço emproteínas de lêvedo, de acordo com a reivindicação 7,compreendendo as seguintes etapas:- o preparo de um inoculum ativo por incubaçãode pelo menos uma cepa de lêvedo forrageira, notadamenteCandida utilis, com melaço de cana-de-açúcar;- o enchimento de um reator com bagaço decana-de-açúcar, de inoculum ativo, tal como obtido na etapaprecedente, colocado em cultura com resíduo de destilaria; e- a alimentação em contínuo desse reator cheiosegundo a etapa precedente, com vapores de etanol, permitindo oconsumo desses vapores de etanol pelo lêvedo mencionado e aprodução de bagaço enriquecimento com proteínas de lêvedo.
9. Processo de enriquecimento de bagaço emproteínas de lêvedo, de acordo com a reivindicação 7,compreendendo as seguintes etapas:- o preparo de um inoculum ativo por incubaçãode pelo menos uma cepa de lêvedo forrageira, notadamenteCandida utilis, com melaço de cana-de-açúcar;- a mistura do inoculum ativo tal como obtidona etapa precedente e do bagaço de cana-de-açúcar e- a alimentação em contínuo desse reator cheiosegundo a etapa precedente, com vapores de etanol, permitindo oconsumo desses vapores de etanol pelo lêvedo mencionado e aprodução de bagaço enriquecimento com proteínas de lêvedo.
10. Processo, de acordo com uma dasreivindicações 4 a 9, caracterizado pelo fato de o bagaço de cana-de-açúcar ser o bagaço fresco moído, cujas partículas têm umdiâmetro compreendido de aproximadamente 0,1 aaproximadamente 5 mm, e, de preferência, compreendido deaproximadamente 0,54 mm a aproximadamente 3 mm.
11. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 4 a 10, caracterizado pelo fato de o melaço decana-de-açúcar utilizado na etapa de preparo do inoculum sercompletado em nitrogênio, e notadamente por sulfato de amônio efosfato de amônio.
12. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 4 a 11, caracterizado pelo fato de a cepa de lêvedoser incubada em presença de aproximadamente 22 aaproximadamente 82 g.L"1, e de preferência aproximadamente 52g.L"1, de melaço, de aproximadamente 3 a aproximadamente 8g.L"1, e, de preferência, aproximadamente 5,5 g.L"1, de sulfato deamônio, e de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 2 g.L"1, e,de preferência, aproximadamente 1,2 g.L"1, de fosfato de amônio.
13. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 4 a 12, caracterizado pelo fato de a etapa deincubação da cepa de lêvedo com o melaço de cana-de-açúcar serfeita a uma temperatura de aproximadamente 25 aaproximadamente 35°C e, de preferência, igual aaproximadamente 3O0C, durante um período que varia deaproximadamente 15 horas a aproximadamente 22 horas, e, depreferência, durante um período de aproximadamente 18 horas.
14. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 4 a 13, caracterizado pelo fato de o resíduo dedestilaria ser previamente enriquecido em sais de nitrogênio, emsais de fósforo e em sais de magnésio, esse resíduo de destilariasendo, de preferência, previamente enriquecido em sulfato deamônio à razão de aproximadamente 73 g.L"1, em fosfato deamônio à razão de aproximadamente 22 g.L"1, e em sulfato demagnésio à razão de aproximadamente 7 g.L"1.
15. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 4 a 14, caracterizado pelo fato de a cepa de lêvedoser adicionada em água, a fim de se obter uma taxa de umidade deaproximadamente 60 a aproximadamente 75% e, de preferência,aproximadamente 65% em relação ao peso total do bagaço úmido.
16. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 7 a 15, caracterizado pelo fato de o reator seralimentado pelo etanol à razão de aproximadamente 100 g.h" .m"de reator a aproximadamente 20 g.h" .m" de reator, e, depreferência, à razão de aproximadamente 150 a aproximadamente-200 g.h"1.m"3 de reator.
17. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 7 a 16, caracterizado pelo fato de a etapa dealimentação do reator em etanol ser feita em contínuonotadamente durante aproximadamente 7 dias à temperaturaambiente.
18. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 7 a 17, caracterizado pelo fato de o reator poder seralimentado em etanol em fluxo descendente e/ou um fluxoascendente.
19. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 7 a 18, caracterizado pelo fato de a parte superiordo reator ser aspergida por uma solução de resíduo de destilariacompletada em nitrogênio e em fósforo, tal como definida nareivindicação 14.
20. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 7 a 19, caracterizado pelo fato de a água seracrescentada pontualmente no decorrer do processo, notadamenteem uma quantidade compreendida de 50 ml a 200 ml por litro dereator e por dia.
21. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 4 a 20, caracterizado pelo fato de compreenderuma etapa final suplementar, consistindo em secar com ar seco oproduto final correspondente ao bagaço enriquecido em proteínasde lêvedo e em recuperar o produto assim secado.
22. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 4 a 21, caracterizado pelo fato de o bagaçoenriquecido em proteínas de lêvedo apresentar uma taxa emproteínas de aproximadamente 5 a aproximadamente 17 %, e, depreferência, de aproximadamente 17 % em relação ao peso totalde bagaço seco.
23. Produto, tal como obtido segundo oprocesso, tal como definido em qualquer uma das reivindicações-4 a 22.
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