BRPI0802153A2 - processo fermentativo copreendendo etapa de pré-tratamento, hidrólise enzimática e produto fermentado utilizando biomassa vegetal lignocelulósica - Google Patents
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Abstract
PROCESSO FERMENTATIVO COMPREENDENDO ETAPA DE PRé-TRATAMENTO, HIDRóLISE ENZIMáTICA E PRODUTO FERMENTADO UTILIZANDO BIOMASSA VEGETAL LIGNOCELULóSICA. A presente invenção se refere a um processo fermentativo compreendendo uma etapa de pré-tratamento e hidrólise enzimática de biomassa vegetal lignocelulósica, onde esse pré-tratamento inclui o uso de vapor, opejonalmente na presença de catalisadores, um pretratamento enzimático e a um produto fermentado por esse processo. Em especial a biomassa vegetal é bagaço de cana e o produto é o etanol.
Description
Relatório Descritivo de Patente de Invenção
Processo Fermentativo compreendendo Etapa de Pré-Tratamento, Hidrólise Enzimática ε Produto Fermentado utilizando biomassa vegetal lignocelulósica
Campo da Invenção
A presente invenção se refere a um processo fermentativo compreendendo etapas de pré-tratamento de biomassa vegetal lignocelulósica, na qual se utiliza vapor na presença ou ausência de catalisadores químicos e/ou bioquímicos, hidrólise enzimática da referida biomassa e fermentação do caldo hidrolisado obtido por este processo enzimático. Em especial, a biomassa vegetal é bagaço e/ou palha de cana-de-açúcar e o produto é o etanol.
Antecedentes da Invenção
A possibilidade de produzir etanol a partir de materiais lignocelulósicos tem recebido bastante atenção devido à elevada disponibilidade destes materiais, sobretudo em território nacional, e também ao fato da rota de obtenção do etanol ser considerada "verde", quando comparada àquela empregada na produção de combustíveis derivados do petróleo, como a gasolina.
A celulose é um polímero linear de D-glicose composta por ligações glicosídicas β-1,4, com unidades repetidas de celobiose, formando um material de elevada cristalinidade insolúvel em água. O grau de polimerização situa-se na faixa de 7500-15000 moléculas de glicose presentes na cadeia celulósica.
A celulose encontra-se organizada em fibras com diâmetro de 2,0-4,0 nm. Estas fibras encontram-se associadas segundo pontes de hidrogênio e ligações de van der Waals, formando uma estrutura molecular rígida (micro- fibrilas), com diâmetros de 10 a 30 nm. A fração cristalina constituí entre 50 e 90% da celulose. Nesta fração, os capilares são pequenos, o que dificulta sobremaneira a penetração da matriz por enzimas (tamanho médio de 5 nm). Assim sendo, processos de hidrólise enzimática demandam um tratamento prévio (pré-tratamento) da biomassa lignocelulósica, visando "abrir" a matriz celulósica à ação das enzimas. As regiões de baixa cristalinidade (amorfas) existentes nas micro-fibrilas são susceptíveis à ação enzimática, dispensando pré-tratamento da biomassa.
Diferentemente da celulose, as hemiceluloses são polímeros heterogêneos ramificados de diferentes carboidratos unidos através de diferentes ligações químicas. Vários substituintes, e.g., grupos acetila e ácidos urônicos, encontram-se associados à cadeia principal ou às suas respectivas ramificações, em estruturas de grau de polimerização variando entre 20 e 300.
As hemiceluloses não apresentam o grau de cristalinidade nem a estrutura microfibrilar orientada da celulose, de modo que não exercem influência efetiva sobre as propriedades estruturais do tecido vegetal. Deste modo, apresentam maior susceptibilidade à hidrólise ácida e enzimática, bem como maior solubilidade em soluções aquoso-alcalinas. Geralmente, utiliza-se o termo holocelulose para se referir à fração sacarídica total (celulose e hemiceluloses) do tecido vegetal livre de extrativos.
As hemiceluloses encontram-se associadas à fração fenólica (Iignina) através de ligações covalentes e à celulose via hidrogênio ligante. Sua composição varia conforme o material lignocelulósico. Madeiras suaves ("softwoods") tais como o Pinus radiata, contêm maiores teores de glico- mananas, enquanto as madeiras duras ("hardwoods"), como a bétula, apresentam maior teor de glico-xilanas. As hemiceluloses do bagaço de cana- de-açúcar são predominantemente constituídas de xilanas, embora também apresentem quantidades menores de glico-xilanas e arabino-xilanas.
Juntamente com a celulose, a Iignina é um dos mais abundantes polímeros orgânicos do reino vegetal. Usualmente, a Iignina é vista como "cimento" ou "substância incrustante" do tecido vegetal, contribuindo significativamente para a resistência mecânica do mesmo. Por outro lado, enquanto uma quantidade relativamente grande de microrganismos é capaz de decompor e converter a celulose e as hemiceluloses, apenas um número muito reduzido possui a capacidade de decompor efetivamente a lignina, o que justifica a elevada resistência das plantas à deterioração.
A lignina é um polímero amorfo tridimensional complexo, de alto peso molecular, geralmente associado com a celulose e hemiceluloses através de ligações éter e carbono-carbono. Sua estrutura química "in natura" é fortemente aromática, de natureza fenólica, composta de unidades de fenil-propano associadas a grupos metoxila, hidroxilas fenólicas e alifáticas.
Devido à associação da celulose com as hemiceluloses e a lignina, o acesso dos diversos agentes químicos (e.g. ácidos e álcalis) e bioquímicos (e.g. enzimas, microrganismos) utilizados nos processos de produção de etanol a partir de biomassas lignocelulósicas por via fermentativa torna-se bastante restrito.
Evidencia-se, portanto, a necessidade de se realizar um tratamento prévio (pretratamento) da biomassa lignocelulósica, visando remover componentes não-celulósicos, predominantemente hemiceluloses, de modo a favorecer a acessibilidade das enzimas à celulose.
A conversão eficiente da celulose do material lignocelulósico em açúcares fermentescíveis e posterior fermentação destes em etanol certamente representam um enorme desafio. A celulose é o principal constituinte das fibras lignocelulósicas e consiste em uma estrutura cristalina muito resistente à quebra, assim como a hemicelulose, o segundo componente em abundância. A conversão de celulose/hemicelulose a etanol requer a separação desses componentes da lignina e/ou aumento do acesso de enzimas a esses materiais, ou seja, é necessário promover uma despolimerização destes componentes em açúcares livres para subseqüente fermentação destes açúcares a etanol.
A hidrólise ácida é um método comum para a conversão da celulose em glicose, um açúcar fermentescível. Ela geralmente envolve o uso de ácidos concentrados ou diluídos. Esse processo gera rendimentos moderados de glicose, com problemas de custo associados à necessidade de recuperação do ácido e utilização de materiais especiais de construção dos equipamentos da corrosão dos mesmos.
O estado da técnica possui diversos processos já descritos para a conversão de matéria-prima lignocelulósica em glicose. Os documentos US 4,461,648 e US 7,198,925 descrevem métodos de pré-tratamento com explosão a vapor com ácido diluído. Nesses documentos a biomassa é carregada no reator ("steam gun") e ácido é adicionado à biomassa. A seguir, vapor é rapidamente injetado no tanque, que permanece sob alta pressão por um determinado período de tempo. Finalmente, o tanque é subitamente despressurizado, gerando então a biomassa "explodida". Esta biomassa pode ser, em seguida, submetida à ação hidrolítica de enzimas (particularmente celulases), as quais convertem celulose em glicose e outros açúcares.
A presente invenção difere fundamentalmente dos documentos supra citados, uma vez que aborda desde o pré-tratamento da biomassa lignocelulósica com vapor até a etapa final de fermentação dos açúcares disponibilizados na etapa de hidrólise enzimática, particularmente a glicose proveniente da celulose. Adicionalmente, a presente invenção ainda aborda a utilização de um "ροοΓ de enzimas (hemicelulases e celulases) no processo de disponibilização de açúcares, particularmente glicose, em sistemas SHF (Hidrólise e Fermentação Separadas) e SSF (Sacarificação e Fermentação Simultâneas). Especificamente, a presente invenção abrange pré-tratamentos utilizando condições não-catalíticas e autocatalisadas, além de sistemas catalíticos utilizando ácidos, sais metálicos (e.g. ácidos de Lewis), alcalinos (e.g. sais de cálcio) e neutros ou levemente ácidos (e.g. carbonatos) em sistemas oxidativos ou não-oxidativos. Aborda ainda o tratamento enzimático das hemiceluloses residuais presentes na biomassa pré-tratada através dos processos físico-químicos de pré-tratamento com vapor. Tal seqüência configura um pretratamento em duas etapas, sendo a primeira físico-química e a segunda enzimática.
O documento US 6,423,145 descreve um processo de produção de celulose que compreende uma etapa de hidrólise de um material lignocelulósico em um reator de explosão a vapor (contínuo ou descontínuo) na presença de uma mistura de catalisadores, onde os catalisadores são ácidos inorgânicos (e.g. H2SO4, SO2, HCI e HNO3) diluídos e sais metálicos de caráter ácido, escolhidos dentre sulfato ferroso, sulfato férrico, cloreto de ferro, sulfato de alumínio, cloreto de alumínio e sulfato de magnésio.
Na presente invenção, a etapa de pré-tratamento emprega não somente ácidos inorgânicos e sais metálicos ácidos como catalisadores químicos, mas também ácidos orgânicos (e.g. ácido acético), ácido carbônico (H2CO3)1 sais metálicos alcalinos (e.g. carbonato de sódio ou de cálcio) e compostos orgânicos (e.g. ácido acético). Além desses, a presente invenção também emprega hemicelulases como catalisadores bioquímicos (enzimáticos). Outro aspecto que diferencia o presente processo do anteriormente citado é o seu caráter global, visto que além do pré-tratamento também contempla as etapas de hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada utilizando celulases e a fermentação dos açúcares produzidos nas duas etapas anteriores, tanto em sistemas SHF quanto em sistemas SSF.
O documento US 7,189,306 descreve um processo para tratar material lignocelulósico compreendendo as etapas de moagem, pretratamento com vapor em meio alcalino (pH>8) em duas etapas, em presença ou não de um agente oxidante (e.g. 02 e/ou H2O2), seguida de uma etapa de fracionamento da celulose e subseqüente fermentação dos carboidratos através do processo SSCF (Sacarificação e Co-Fermentação Separadas).
A presente invenção difere deste documento visto que o pretratamento pode ser realizado em meio ácido (orgânico e inorgânico), neutro e alcalino, utilizando catalisadores metálicos (sais ácidos e alcalinos) com a possibilidade de utilizar uma etapa enzimática (hemicelulases) com vistas à remoção das hemiceluloses residuais. Além disso, contempla etapas de hidrólise enzimática da celulose e fermentação do caldo hidrolisado gerado, utilizando-se leveduras do tipo Saccharomices cerevisae, por exemplo, para a produção de etanol celulósico, em processos SHF e SSF. O documento US 4,880,473 descreve um processo para produzir açúcares fermentescíveis a partir de biomassas celulósicas, compreendendo uma etapa de pretratamento (hidrólise com ácido diluído) seguida de separação da fase sólida que contém a celulose, com etapas subseqüentes de pirólise rápida do material pretratado e separação dos açúcares presentes na fase aquosa.
A presente invenção difere do documento anteriormente citado por não abranger qualquer etapa relativa ao processo de pirólise da biomassa pré- tratada, dentre outras razões já apresentadas e discutidas no decorrer do presente texto.
Portanto, com base no exposto até o presente momento, observa-se que o atual estado da técnica não antecipa ou sugere os ensinamentos da presente invenção, havendo ainda a necessidade de um processo de pré-tratamento de material lignocelulósico para a produção de açúcares e também de etanol que proporcione um elevado rendimento.
Sumário da Invenção
É objeto da presente invenção um processo fermentativo compreendendo as etapas de:
a) Pré-tratamento da biomassa vegetal lignocelulósica em uma (explosão a vapor) ou duas (explosão a vapor seguida de tratamento com hemicelulases) etapas;
b) Hidrólise enzimática da biomassa pretratada utilizando misturas contendo celulases e/ou β-glicosidases e/ou hemicelulases
c) Fermentação dos carboidratos produzidos durante a etapa de hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada.
Preferencialmente, o bagaço de cana-de-açúcar que integra o processo aqui proposto é oriundo de difusor, sendo possível, contudo, utilizar também bagaço proveniente de moenda ou uma mistura de difusor e moenda.
Opcionalmente, catalisadores químicos e agentes oxidantes podem ser utilizados na etapa de pré-tratamento da biomassa com vapor. Opcionalmente, o processo de pré-tratamento contempla uma etapa de hidrólise enzimática das hemiceluloses presentes na biomassa pré-tratada com vapor utilizando uma mistura de hemicelulases.
Opcionalmente os processos de hidrólise enzimática das hemiceluloses e da celulose ocorrem simultaneamente com a fermentação dos carboidratos.
É um adicional objeto da presente invenção um produto fermentado obtido através do processo fermentativo descrito acima. Em especial, o produto fermentado é etanol.
Breve Descrição das Figuras
A Figura 1 mostra um processo para produção de etanol a partir de biomassa lignocelulósica no qual a etapa de pré-tratamento pode ser realizada por via físico-química e enzimática (hemicelulases), e as etapas subseqüentes de hidrólise enzimática da celulose (celulases) e fermentação (Saccharomyces cerevisiae) ocorrem separadamente (Processo SHF).
A Figura 2 mostra um processo para produção de etanol no qual o pré- tratamento da biomassa lignocelulósica pode ser realizado em três etapas: tratamento físico-químico, hidrólise enzimática (hemicelulases) para remoção da hemicelulose residual e lavagem do bagaço pré-tratado final. Posteriormente, o bagaço pré-tratado é submetido ao processo simultâneo de hidrólise enzimática da celulose (celulases) e fermentação (Saccharomyees cerevisiae) - (Processo SSF).
A Figura 3 mostra um processo para produção de etanol a partir de biomassa lignocelulósica no qual a etapa de pré-tratamento é realizada em duas etapas: tratamento físico-químico e lavagem do bagaço pré-tratado final. Posteriormente, o bagaço pré-tratado é submetido a um processo simultâneo de hidrólise enzimática da celulose (celulases) e da hemicelulose residual (hemicelulases) e fermentação (Saccharomyees cerevisiae) - (Processo SSF).
A Figura 4 mostra o cromatograma referente à fração líquida após pré- tratamento da biomassa com vapor. A presença de xilose evidencia remoção parcial das hemiceluloses da biomassa após o processo. Glicose proveniente da sacarose oriunda da moagem da cana e da celulose do bagaço.
A Figura 5 mostra o cromatograma refrente à análise composicional da biomassa pré-tratada (BPT) com vapor. Evidencia-se presença de xilanas (caracterizadas sob a forma de xilose) na biomassa, indicando remoção não- total das hemiceluloses.
A Figura 6 mostra o cromatograma refrente ao experimento SHF. Hidrolisado enzimático da biomassa pré-tratada (BPT) lavada utilizando apenas celulases. Observa-se menor produção de glicose em relação à condição apresentada na Figura 4, em virtude da recalcitrância exercida pelas hemiceluloses residuais presentes na biomassa.
A Figura 7 mostra o cromatograma refrente ao experimento SHF. Hidrolisado enzimático da biomassa pré-tratada (BPT) lavada utilizando mistura de celulases e hemicelulases. Observa-se maior produção de glicose em relação à condição apresentada na Figura 3, em virtude da ação das hemicelulases, evidenciando sinergia entre as diferentes enzimas. A presença de sorbitol no hidrolisado enzimático caracteriza uma potencial ativação da glicose em presença de hemicelulases, as quais removem hemiceluloses da biomassa.
A Figura 8 mostra o cromatograma refrente ao caldo fermentado dos experimentos SSF1 utilizando-se apenas hemicelulases (sem celulases) e biomassa pré-tratada (BPT) lavada. Observa-se produção significativa de xilose e remoção seletiva de hemiceluloses residuais presentes na BPT (Cxiiose: CgijCOse > 100). Não se observou produção ou consumo de glicose durante o processo, evidenciada pela produção quase-nula de etanol pelas leveduras presentes no meio reacional. Configura-se, aqui, a eficiência do pré-tratamento enzimático (usando hemicelulases) da biomassa, suplementar ao processo de pré- tratamento com vapor, na remoção seletiva de hemiceluloses residuais, com mínima perda celulósica
A Figura 9 mostra o cromatograma refrente ao caldo fermentado dos experimentos SSF, utilizando-se apenas celulases (sem hemicelulases) e biomassa pré-tratada (BPT) lavada. Observa-se mínima concentração de glicose, porém com elevada produção e consumo simultâneo da mesma, evidenciadas pela produção de etanol pelas leveduras presentes no meio reacional (Cetanoi>0,5 %m/m). A presença de xilose (Cxilose =1,20 g/kg) no líquido fermentado evidencia atividade xilanolítica moderada das celulases, indicando a potencialidade do pré-tratamento enzimático da biomassa com hemicelulases, suplementar ao processo de pré-tratamento com vapor, na remoção seletiva de hemiceluloses residuais, com mínima perda celulósica.
A Figura 10 mostra o cromatograma refrente ao caldo fermentado dos experimentos SSF, da BPT lavada e tratada com hemicelulases. Observa-se mínima concentração de glicose, porém com elevada produção e consumo simultâneo da mesma, evidenciadas pela produção de etanol (0,5 %m/m) pelas leveduras presentes no meio reacional. Observa-se presença de xilose no caldo a uma concentração da ordem de 0,49 g/kg, porém com elevada produção e consumo da mesma, evidenciadas pela produção de produtos distintos ao etanol, caracterizando potencial sinergia entre as hemicelulases e as leveduras. A produção de etanol evidencia que não houve inibição da atividade das leveduras devida à presença de hemicelulases no meio.
A Figura 11 mostra cromatogramas refrentes ao caldo fermentado dos experimentos SSF da BPT lavada, com celulases em meio complementado com solução sacarídica (caldo de cana-de-açúcar). (A) Tempo 0 (zero), (B) Tempo 24 h. Observa-se consumo praticamente integral da glicose, evidenciando-se que a adição de uma solução rica em açúcares fermentescíveis ("booster") não provoca inibição da atividade fermentativa das leveduras. A partir dos valores observados na Fig.10 para as concentrações de etanol, evidencia-se uma sinergia positiva entre o hidrolisado enzimático (produzido durante o SSF) e a solução rica em sacarose usada como "booster". Tal evidência potencializa a utilização de melaço ou caldo de cana-de-açúcar como "booster"' em processos SSF.
A Figura 12 mostra cromatogramas refrentes a: (A) Experimento SSF utilizando bagaço pré-tratado com vapor [CEa = 0,531 %m/m] em presença de enzimas celulolíticas. (B) Fermentação do caldo de cana-de-açúcar [CEb = 4,341 %m/m]. (C) Experimento SSF utilizando bagaço pré-tratado com vapor e meio complementado com caldo de cana-de-açúcar ("booster" de sacarose) em presença de uma mistura de celulolíticas [CEc = 4,885 %m/m],
Ceí = concentração de etanol do Experimento i.
Descrição Detalhada da Invenção
Os exemplos aqui descritos têm o intuito apenas de exemplificar os objetos da invenção, e não de limitar sua aplicação.
Biomassa Vegetal Liqnocelulósica
A expressão biomassa vegetal lignocelulósica compreende qualquer tipo de planta, a saber: biomassa herbácea; cultivares como plantas C4 - pertencentes aos gêneros Lolium, Spartina, Panicum, Miscanthus, e combinações dos mesmos; bagaço de cana-de-açúcar (oriundo de moenda e/ou difusor, sendo o bagaço de difusor preferido); palhas de cereais como trigo, arroz, centeio, cevada, aveia, milho e similares (e.g. capim-elefante "switchgrass"); madeira; troncos e talos de bananeira; cactáceas e combinações dos mesmos. Além disso, materiais lignocelulósicos podem ainda compreender papelão, serragem, jornal e resíduos agroindustriais ou municipais similares.
Biomassas vegetais de diferentes origens podem apresentar diferenças particulares embora possuam composição química global relativamente semelhante. Algumas variações na composição entre diferentes espécies e entre uma mesma espécie se devem a variabilidades ambientais e genéticas, ademais da localização do tecido vegetal em diferentes partes da planta. Tipicamente, cerca de 35-50% se constitui de celulose, 20-35% de hemiceluloses e cerca de 20-30% de lignina. O restante consiste em quantidades menores de cinzas, compostos fenólicos solúveis e ácidos graxos, além de outros constituintes, denominados extrativos. A celulose e as hemiceluloses do tecido vegetal se constituem de carboidratos estruturais (e.g. glicanas, xilanas, mananas), sendo geralmente denominadas de fração sacarídica. A Iignina se constitui na fração fenólica da biomassa vegetal.
A presente invenção compreende um processo fermentativo que possui vantagens técnico-operacionais quando comparado a processos presentes no estado da técnica e envolve as seguintes etapas:
a) Pré-tratamento da biomassa vegetal lignocelulósica com uma etapa de explosão a vapor; seguida ou não de uma segunda etapa de pré-tratamento da biomassa utilizando-se hemicelulases (enzimas);
b) Hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada utilizando misturas contendo celulases e/ou β-glicosidases e/ou hemicelulases;
c) Fermentação dos carboidratos produzidos a partir da hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada.
Etapa de Pretratamento
A remoção de hemiceluloses de biomassas lignocelulósicas tais como o bagaço e a palha de cana e de milho possibilita incrementar a acessibilidade da celulose aos agentes químicos (e.g. ácidos ou álcalis) ou bioquímicos (e.g. enzimas) que a converterão em açúcares fermentescíveis, particularmente a glicose. A combinação de processos químicos (e.g. tratamento com vapor) e bioquímicos (e.g. hidrólise com hemicelulases) possibilita a fragmentação e subseqüente remoção das hemiceluloses presentes na biomassa com elevada seletividade, configurando uma alternativa particularmente eficiente em termos de pretratamento. Na presente invenção, conceitua-se como pretratamento o conjunto de etapas operacionais que sucedem a preparação da biomassa e a alimentação do reator e precedem a hidrólise enzimática da celulose.
O pretratamento da biomassa lignocelulósica com vapor saturado ou água sob pressão em diferentes níveis de temperatura e tempo de processo promove a remoção parcial das hemiceluloses, incrementando a acessibilidade da matriz celulósica às enzimas celulolíticas (celulases). O vapor utilizado pode ser gerado na própria câmara ou ser introduzido na mesma. Os processos de pretratamento podem ser realizados sob a configuração de explosão ("steam explosion"- STEX ou "wet explosion"- WEX), nos quais ocorre descompressão rápida na descarga do material. Também se pode utilizar uma configuração do tipo cozimento ("cooking"), na qual não se utiliza descompressão rápida após o tempo de processo. Geralmente, os processos de explosão a vapor tendem a produzir uma maior fragmentação das hemiceluloses, tornando a celulose mais acessível aos agentes químicos e enzimáticos.
Em princípio, condições mais severas de processo conduzem a uma maior extração de hemiceluloses, entretanto tais condições costumam resultar em elevadas perdas de celulose devido à fragmentação das mesmas. Além disso, pode ocorrer degradação dos carboidratos disponibilizados no processo em compostos tais como furfural e hidróxi-metil-furfural (HMF).
A utilização de catalisadores e adjuvantes tais como oxidantes (e.g. O2 e H2O2) em sistemas ácidos, alcalinos ou neutros possibilita remover elevadas quantidades de hemiceluloses sob condições menos severas de processo.
Além disso, pode-se evidenciar elevada seletividade em termos de extração predominante de hemiceluloses, preservando-se o conteúdo celulósico da biomassa pré-tratada. Dependendo da disponibilidade de água e das condições operacionais, pode-se intensificar a desacetilação das hemiceluloses de modo a produzir ácido acético, o qual atua, neste contexto, como um "catalisador autóctone" das hemiceluloses, caracterizando um processo autocatalítico.
O pré-tratamento apresentado na presente invenção pode compreender um ou mais catalisadores, incluindo-se, porém não se limitando, a ácidos inorgânicos tais como H2S04, HCI, HNO3, H3PO4 ou combinações dos mesmos, ácidos orgânicos tais como o ácido acético, fórmico e carbônico (H2CO3), óxidos (SO2, MnO2, CO2), sulfatos (FeSO4, AI2(SO4)3), carbonatos (FeCO3, CaCO3, Na2CO3) e cloretos metálicos (FeCI3, ZnCI2, MnCI2, CaCI2, AICI3).
Compostos que são gerados durante o pré-tratamento também podem atuar como catalisadores, sendo denominados autocatalisadores. Exemplos destes compostos incluem ácidos orgânicos, tais como ácido acético e ácidos provenientes da degradação de carboidratos, além de espécies fenólicas derivadas da lignina. Os catalisadores podem estar presentes em uma concentração que varia de 0,10% a 8%, em relação à massa seca da biomassa, mas devem preferencialmente se situar na faixa entre 0,25% e 6%.
Remoção das Hemiceluloses Residuais
Apesar dos benefícios associados à utilização de catalisadores na etapa de pretratamento, evidencia-se com freqüência a presença de hemiceluloses residuais na biomassa pré-tratada. Neste contexto, a remoção seletiva destas hemiceluloses sob condições moderadas de processo resulta em biomassas pré-tratada com maior acessibilidade à celulose, possibilitando carregar o reator de hidrólise com maior quantidade deste componente.
Um tratamento enzimático seletivo da biomassa pré-tratada mediante processo físico-químico (e.g. STEX, WEX) sob condições moderadas de temperatura permite obter um material com elevado teor celulósico além de elevada acessibilidade da celulose às enzimas, por exemplo, misturas de celulases e β-glicosidases. A presente invenção apresenta o pré-tratamento enzimático complementar da biomassa lignocelulósica (pré-tratada mediante processos físico-químicos) com base na utilização de hemicelulases (enzimas que fragmentam as hemiceluloses) sob condições de temperatura variando entre 35°C e 60°C, preferencialmente entre 45°C e 55°C com tempos de reação variando entre 6h e 48h, preferencialmente entre 12h e 24h. Tais enzimas podem ser empregadas em sistemas SHF e SSF como um agente de pretratamento de hemiceluloses residuais. As hemicelulases encontram-se em proporções variando entre 5,5% e 30%, preferencialmente entre 12% e 22%, em relação à quantidade de biomassa pré-tratada (base seca).
Os dados apresentados na Tabela 1 permitem observar, conforme comentado anteriormente, os efeitos benéficos que a presença de enzimas auxiliares como β-glicosidases e, sobretudo, hemicelulases trazem para o sistema hidrolítico em questão. A hemicelulase auxiliar presente no meio reacional atua removendo es hemiceluloses remanescentes do processo de explosão a vapor, conferindo, assim, maior acessibilidade da celulase à celulose. Com isso, maiores conversões de celulose em glicose são observadas e, por conseguinte, maiores concentrações de glicose podem ser detectadas no hidrolisado final que será destinado à fermentação. Fica evidente, portanto, que o tratamento enzimático do bagaço explodido a vapor com enzimas auxiliares é, de fato, eficiente.
TABELA 1 - Hidrólise enzimática de biomassa pré-tratada. Concentração de glicose na fração líquida (hidrolisado).
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Substrato: Bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado com vapor.
Processo Fermentativo
A etapa de fermentação pode ser realizada após a hidrólise enzimática, via processo conhecido como SHF (Separated Hydrolysis and Fermentation, isto é, Hidrólise e Fermentação Separadas), ou concomitante com a hidrólise, em um processo conhecido como SSF (Simultaneous Saccharification and Fermentation, isto é, Sacarificação e Fermentação Simultâneas). Dependendo da concentração dos açúcares produzidos na hidrólise enzimática, pode-se optar pela adição ao meio reacional de uma solução sacarídica concentrada, variando entre 80 g/L e 820 g/L, preferencialmente entre 120 g/L e 200 g/L (e.g. melaço ou caldo de cana).
A presente invenção também contempla a possibilidade de se realizar simultaneamente o pré-tratamento enzimático das hemiceluloses, a hidrólise enzimática da celulose e a fermentação de maneira simultânea, caracterizando um bioprocesso consolidado (CBP - Consolidated BioProcess) utilizando a biomassa pré-tratada com vapor ou outros agentes como substrato.
As Figuras 1, 2 e 3 apresentam os fluxogramas concernentes às diferentes configurações contempladas na presente invenção.
A Fig.1 apresenta um processo SHF típico, consistindo de três etapas distintas (pré-tratamento, hidrólise enzimática e fermentação) realizadas separadamente. A biomassa celulósica é submetida a um pré-tratamento físico- químico (e.g. STEX, WEX, etc.), na presença ou ausência de catalisadores, oxidantes e outros insumos. Os catalisadores estão presentes em uma concentração que varia de 0,10% a 8% em relação à massa seca de biomassa, preferencialmente entre 0,25% e 6%. A carga de sólidos varia entre 5% e 60%, preferencialmente entre 15% e 50% em relação à massa total.
A biomassa permanece no reator durante um tempo reacional entre 30s e 60 min, preferencialmente entre 5 min e 15 min, a uma temperatura de processo que pode variar de 1100C a 240°C, preferencialmente entre 180°C e 2100C. Decorrido o tempo reacional, o reator é descarregado preferencialmente através de descompressão súbita e opcionalmente sem descompressão súbita.
Dependendo da quantidade de hemiceluloses remanescentes ou residuais, a biomassa pré-tratada pode ser submetida a um pré-tratamento complementar utilizando enzimas específicas (hemicelulases). As hemicelulases encontram-se em proporções variando entre 5,5% e 30%, preferencialmente entre 12% e 22%, em relação à massa de biomassa pré- tratada (base seca). A biomassa permanece no reator durante um tempo reacional de 6h a 48h, preferencialmente entre 12h e 24h, a uma temperatura de processo variando entre 35°C e 60°C, preferencialmente entre 45°C e 55°C.
A carga de sólidos varia entre 2% e 20%, preferencialmente entre 7,5% e 15% em relação à massa total. Após o pré-tratamento, a biomassa pode ser opcionalmente submetida a uma lavagem com água ou soluções ácidas ou alcalinas à temperatura ambiente.
Na seqüência, a biomassa pré-tratada é submetida a uma hidrólise enzimática, sendo encaminhada a um reator preferencialmente descontínuo e opcionalmente contínuo juntamente com enzimas específicas (celulases e β- glicosidases). As celulases encontram-se em proporções que variam de 5,5% a 30%, preferencialmente entre 12% e 22%, em relação à massa de biomassa pré-tratada (base seca). As β-glicosidases encontram-se em proporções variando entre 2,5% e 15%, preferencialmente entre 5,5% e 7,5%, em relação à massa de biomassa pré-tratada (base seca). A carga de sólidos varia entre 2% e 20%, preferencialmente entre 7,5% e 15% em relação à massa total.
A biomassa permanece no reator por um tempo reacional que varia de 12h a 72h, preferencialmente entre 24h e 48h, a uma temperatura de processo variando entre 35°C e 60°C, preferencialmente entre 45°C e 55°C. Decorrido o tempo reacional, o reator é descarregado e o material submetido a um processo de separação, preferencialmente filtração e opcionalmente centrifugação ou ultrafiltração, produzindo uma fração líquida (hidrolisado enzimático) e uma fração sólida (resíduo lignocelulósico ou celulignina).
O hidrolisado enzimático é, então, submetido a uma fermentação etanólica utilizando-se preferencialmente leveduras do tipo Saccharomices cerevisae e opcionalmente utilizando-se bactérias do tipo Zymomonas mobilis.
O hidrolisado enzimático é preferencialmente misturado a melaço ou caldo de cana e opcionalmente fermentado individualmente, sem qualquer tipo de mistura com melaço ou caldo.
Conforme apresentado na Fig. 1, as etapas de hidrólise enzimática e fermentação ocorrem separadamente.
A Fig.2 apresenta um processo SSF típico, em que as etapas de hidrólise enzimática e fermentação são realizadas simultaneamente. A biomassa celulósica é submetida a um pré-tratamento físico-químico (e.g. STEX, WEX, etc.), na presença ou ausência de catalisadores, oxidantes e outros insumos. Quando o pré-tratamento incluir catalisadores, estes estarão presentes em concentrações que variam de 0,10% a 8% em relação à massa seca da biomassa, preferencialmente entre 0,25% e 6%. A carga de sólidos varia entre 5% e 60%, preferencialmente entre 15% e 50% em relação à massa total.
A biomassa permanece no reator durante um tempo reacional de 30s a 60 min, preferencialmente de 5 min a 15 min, a uma temperatura de processo variando entre 110°C e 240°C, preferencialmente entre 180°C e 210°C. Decorrido o tempo reacional, o reator é descarregado preferencialmente através de descompressão súbita e opcionalmente sem descompressão súbita.
Dependendo da quantidade de hemiceluloses remanescentes ou residuais, a biomassa pré-tratada pode ser submetida a um pré-tratamento complementar utilizando enzimas específicas (hemicelulases). As hemicelulases encontram-se em proporções variando entre 5,5% e 30%, preferencialmente entre 12% e 22%, em relação à massa de biomassa pretratada (base seca). A biomassa permanece no reator durante um tempo reacional variando entre 6h e 48h, preferencialmente entre 12h e 24h, a uma temperatura de processo variando entre 35°C e 60°C, preferencialmente entre 45°C e 55°C. A carga de sólidos varia entre 2% e 20%, preferencialmente entre 7,5% e 15% em relação à massa total. Após o pré-tratamento, a biomassa pode ser opcionalmente submetida a uma lavagem com água ou soluções ácidas ou alcalinas à temperatura ambiente.
A biomassa pré-tratada é submetida a uma hidrólise enzimática, sendo encaminhada a um reator do tipo fermentador, preferencialmente descontínuo e opcionalmente contínuo, juntamente com enzimas específicas (celulases e β- glicosidases). As celulases encontram-se em proporções variando entre 5,5% e 30%, preferencialmente entre 12% e 22%, em relação à massa de biomassa pré-tratada (base seca). As β-glicosidases encontram-se em proporções variando entre 2,5% e 15%, preferencialmente entre 5,5% e 7,5%, em relação à massa de biomassa pré-tratada (base seca). A carga de sólidos varia entre 2% e 20%, preferencialmente entre 7,5% e 15% em relação à massa total. Na medida em que se processa a hidrólise enzimática são produzidos açúcares, preferencialmente glicose, os quais são submetidos a uma fermentação etanólica utilizando-se, preferencialmente, leveduras do tipo Saccharomices cerevisae e, opcionalmente, bactérias do tipo Zymomonas mobilis.
Preferencialmente, adiciona-se uma solução sacarídica concentrada ("booster"), preferencialmente melaço e opcionalmente caldo de cana, ao fermentador no início ou durante o processo de hidrólise enzimática, podendo- se, no entanto, operar sem adição de solução sacarídica. A solução sacarídica ("booster") apresenta concentração de açúcares variando entre 80 g/L e 820 g/L, preferencialmente entre 120 g/L e 200 g/L.
A biomassa permanece no reator durante um tempo reacional variando entre 12h e 72h, preferencialmente entre 24h e 48h, a uma temperatura de processo variando entre 30°C e 50°C, preferencialmente entre 37°C e 40°C com um pH do meio reacional variando entre 4,2 e 5,5, preferencialmente entre 4,8 e 5,0.
Decorrido o tempo reacional, o reator é descarregado e o material submetido a um processo de separação, preferencialmente filtração e opcionalmente centrifugação, produzindo uma fração líquida (mosto) e uma fração sólida (resíduo lignocelulósico ou celulignina).
Conforme demonstra a Fig. 2, as etapas de hidrólise enzimática e fermentação ocorrem simultaneamente.
A Fig.3 apresenta um processo SSF avançado, no qual as etapas de pré-tratamento enzimático com hemicelulases, hidrólise enzimática com celulases e fermentação são realizadas simultaneamente. A biomassa celulósica é submetida a um pré-tratamento físico-químico (e.g. STEX, WEX, etc.), na presença ou ausência de catalisadores, oxidantes e outros insumos. Os catalisadores estão presentes em uma concentração que varia de 0,10% a 8% em relação à massa seca da biomassa, preferencialmente entre 0,25% e 6%. A carga de sólidos varia entre 5% e 60%, preferencialmente entre 15% e 50% em relação à massa total. A biomassa permanece no reator durante um tempo reacional entre 30s e 60 min, preferencialmente entre 5 min e 15 min, a uma temperatura de processo variando entre 1100C e 240°C, preferencialmente entre 180°C e 2100C. Decorrido o tempo reacional, o reator é descarregado preferencialmente através de descompressão súbita e opcionalmente sem descompressão súbita.
A biomassa pré-tratada é submetida a um pré-tratamento adicional utilizando enzimas específicas (hemicelulases). A biomassa pré-tratada através de processos físico-químicos é encaminhada a um reator do tipo fermentador preferencialmente descontínuo e opcionalmente contínuo juntamente com enzimas específicas (hemicelulases). As hemicelulases encontram-se em proporções variando entre 5,5% e 30%, preferencialmente entre 12% e 22%, em relação à massa de biomassa pré-tratada (base seca). A biomassa permanece no reator durante um tempo reacional variando entre 6h e 48h, preferencialmente entre 12h e 24h, a uma temperatura de processo variando entre 35°C e 60°C, preferencialmente entre 45°C e 55°C. A carga de sólidos varia entre 2% e 20%, preferencialmente entre 7,5% e 15% em relação à massa total.
Concomitantemente ao processo de pré-tratamento com hemicelulases ou decorridos entre 1 h e 6h, preferencialmente 4h, do início desta etapa, inicia- se no fermentador a etapa de hidrólise enzimática da celulose e fermentação, caracterizando um processo SSF. As celulases encontram-se em proporções variando entre 5,5% e 30%, preferencialmente entre 12% e 22%, em relação à massa de biomassa pretratada (base seca). As β-glicosidases encontram-se em proporções variando entre 2,5% e 15%, preferencialmente entre 5,5% e 7,5%, em relação à massa de biomassa pré-tratada (base seca). A carga de sólidos varia entre 2% e 20%, preferencialmente entre 7,5% e 15% em relação à massa total. À medida que a reação de hidrólise enzimática se processa são produzidos açúcares, preferencialmente glicose, os quais são submetidos a uma fermentação etanólica utilizando-se preferencialmente leveduras do tipo Saccharomices cerevisae e opcionalmente utilizando-se bactérias do tipo Zymomonas mobilis. Preferencialmente, adiciona-se uma solução sacarídica concentrada ("booster"), preferencialmente melaço e opcionalmente caldo de cana, ao fermentador no início ou durante o processo de hidrólise enzimática, podendo-se, no entanto, operar sem adição solução sacarídica. A solução sacarídica ("òoosfer") apresenta concentração de açúcares variando entre 80 g/L e 820 g/L, preferencialmente entre 120 g/L e 200 g/L.
A biomassa permanece no reator durante um tempo reacional variando entre 12h e 72h, preferencialmente entre 24h e 48h, a uma temperatura de processo variando entre 30°C e 50°C, preferencialmente entre 37°C e 40°C com um pH do meio reacional variando entre 4,2 e 5,5, preferencialmente entre -4,8 e 5,0.
Decorrido o tempo reacional, o reator é descarregado e o material submetido a um processo de separação, preferencialmente filtração e opcionalmente centrifugação, produzindo uma fração líquida (mosto) e uma fração sólida (resíduo lignocelulósico ou celulignina).
Conforme demonstra a Fig. 3, as etapas de pretratamento com hemicelulases, hidrólise enzimática e fermentação ocorrem simultaneamente.
Claims (35)
1. Processo fermentativo compreendendo etapa de pré-tratamento que abrange as seguintes etapas: a) Pré-tratamento físico-químico (explosão a vapor) da biomassa vegetal compreendendo, opcionalmente, uma etapa adicional de pré-tratamento da biomassa com hemicelulases; b) Hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada utilizando celulases ou a mistura celulases + β-glicosidases; e c) Fermentação dos carboidratos produzidos a partir da hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada.
2. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela biomassa vegetal ser escolhida do grupo que compreende biomassa herbácea, cultivares, papelão, serragem, jornal e/ou mistura dos mesmos.
3. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelos cultivares serem escolhidos do grupo que compreende: i) plantas pertencentes aos gêneros Lolium, Spartina, Panicum, Miscanthus e combinações dos mesmos; ii) bagaço de cana-de-açúcar; iii) palhas de cereais escolhidos do grupo que comprende trigo, arroz, centeio, cana, cevada, aveia, milho, capim-elefante "switchgrass", madeira, troncos e/ou talos de bananeira, cactáceas e combinações dos mesmos; iv) combinações de i), ii) e/ou iii).
4. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo bagaço de cana ser oriundo de moenda e/ou difusor.
5. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela biomassa vegetal compreender: i) cerca de 35-50% de celulose; ii) cerca de 20-35% de hemiceluloses; e iii) cerca de 20-30% de lignina.
6. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo vapor ser saturado ou superaquecido, podendo ser gerado na própria câmara e/ou introduzido nela.
7. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender catalisadores escolhidos do grupo que compreende H2SO4, HCI1 HNO3, H3PO4, ácido acético, fórmico e carbônico (H2CO3), SO2, MnO2, CO2, FeSO4, AI2(SO4)3, FeCO3, CaCO3, Na2CO3, FeCI3, ZnCI2, MnCI2, CaCI2l AICI3 e mistura dos mesmos.
8. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelos catalisadores serem gerados durante a etapa de pré- tratamento.
9. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo catalisador ser ácido acético.
10. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo catalisador estar presente em uma concentração que varia de 0,10% a 8% em relação à massa seca de biomassa.
11. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo catalisador estar presente em uma concentração que varia de 0,25% a 6% em relação à massa seca de biomassa.
12. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela temperatura do processo de explosão a vapor estar compreendida na faixa que vai de 110°C a 240°C.
13. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pela temperatura do processo de explosão a vapor estar compreendida na faixa que vai de 180°C a 210°C.
14. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo tempo reacional da etapa de explosão a vapor ser de 30s a 60min.
15. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo tempo reacional da etapa de explosão a vapor ser de 5min a 15min.
16. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelas hemicelulases estarem presentes em uma concentração que varia de 5,5% a 30% em relação à massa seca de biomassa pretratada.
17. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelas hemicelulases estarem presentes em uma concentração que varia de 12% a 22% em relação à massa seca de biomassa pretratada.
18. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelas hemicelulases serem utilizadas em temperaturas compreendidas na faixa de 35°C a 60°C.
19. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelas hemicelulases serem utilizadas em temperaturas compreendidas na faixa de 40°C a 50°C.
20. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo tempo de reação com as hemicelulases variar entre 6h e 48h.
21. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo tempo de reação com as hemicelulases variar entre 12h e 24h.
22. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 1, carcacterizado pela etapa de pré-tratamento compreender de 5% a 60% p/p de carga de sólidos totais.
23. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pela carga de sólidos totais estar compreendida na faixa que vai de 3% a 25% p/p.
24. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender uma etapa de lavagem com água ou soluções ácidas ou alcalinas à temperatura ambiente após a etapa a) e antes da etapa b).
25. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelas celulases estarem em proporções variando de 5,5% a 30% em relação à massa de biomassa pretratada (base seca).
26. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelas celulases estarem em proporções variando de 12% a 22% em relação à massa de biomassa pretratada (base seca).
27. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelas β-glicosidases estarem em proporções variando de 2,5% a -15% em relação à massa de biomassa pretratada (base seca).
28. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelas β-glicosidases estarem em proporções variando de 5,5% a -7,5% em relação à massa de biomassa pretratada (base seca).
29. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 1, carcacterizado pela etapa de hidrólise compreender de 2% a 20% p/p de carga de sólidos totais.
30. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 29, caracterizado pela carga de sólidos totais estar compreendida na faixa que vai de 2,5% a 25% p/p.
31. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela fermentação ser realizada com leveduras e/ou bactérias.
32. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pela levedura ser Saccharomices cerevisae.
33. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pela bactéria ser Zymomonas mobilis.
34. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender a adição de uma solução sacarídica concentrada com concentração de 80 g/L a 820 g/L.
35. Processo fermentativo, de acordo com a reivindicação 34, caracterizado pela solução sacarídica concentrada ser melaço e/ou caldo de cana.
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