Processo para a produção de etanol a partir de materiais lignocelulósicos por via enzimática

  • Número do pedido da patente:
  • PI 0605017-4 A2
  • Data do depósito:
  • 30/11/2006
  • Data da publicação:
  • 15/07/2008
Inventores:
  • Classificação:
  • C12P 7/10
    Preparação de compostos orgânicos contendo oxig?nio; / contendo um grupo hidroxila; / ac?clicos; / Etanol, i.e. n?o para bebida; / produzido como sub produto ou a partir de substrato de res?duo ou de material celul?sico; / substrato contendo material celul?sico;
    ;
    C12R 1/865
    Micro-organismos; / Fungos; / Saccharomyces; / Saccharomyces cerevisiae;
    ;

PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE ETANOL A PARTIR DE MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS POR VIA ENZIMÁTICA. A presente invenção trata de um processo para a obtenção de etanol combustível utilizando resíduos agrícolas e agro-industriais de composição lignocelulósica, em particular, o bagaço de cana-de-açúcar. Estes resíduos possuem expressivo conteúdo em carboidratos, na forma polissacarídica (celulose e hemicelulose), passíveis de processos de hidrólise química e enzimática. A fração hemicelulósica é submetida a uma hidrólise branda com ácido sulfúrico, e o material sólido resultante desta hidrólise, submetido ao processo de sacarificação (hidrólise enzimática) simultânea à fermentação alcoólica rápida, em condições tais que permitam aumentar significativamente a conversão em etanol em tempos muito reduzidos.

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Documento

PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE ETANOL A PARTIR DE MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS POR VIA ENZIMÁTICA Campo da Invenção:

A presente invenção trata de um processo para a obtenção de 5 etanol combustível, utilizando resíduos agrícolas e agro-industriais de composição lignocelulósica, em particular o bagaço de cana-de-açúcar. Estes resíduos possuem expressivo conteúdo em carboidratos, na forma polissacarídica (celulose e hemicelulose), passíveis de processos de hidrólise química e enzimática. A fração hemicelulósica é submetida a uma 10 hidrólise branda com ácido sulfúrico e o material sólido resultante desta hidrólise, submetido ao processo de sacarificação (hidrólise enzimática) simultânea à fermentação alcoólica rápida, em condições tais que permitam aumentar significativamente a conversão em etanol em tempos muito reduzidos.

15 Fundamentos da Invenção:

Os resíduos de composição lignocelulósica, procedentes das atividades agrícolas e agro-industriais, representam um grande problema ambiental, entretanto os mesmos podem ser valiosas fontes de matérias-primas renováveis de baixo custo para a produção de uma variedade de 20 substâncias químicas e combustíveis, como o etanol.

Para que se possa realizar o aproveitamento das frações polissacarídicas visando à produção de etanol é necessário hidrolisar estas frações eficientemente.

O fracionamento desses polissacarídeos é efetuado através de um 25 pré-tratamento, que consiste de uma reação conhecida como hidrólise ácida que objetiva a hidrólise da fração hemicelulósica. O sólido resultante çíesta etapa, rico na fração celulósica, ainda precisa ser tratado com o objetivo de remover a lignina solúvel em condições alcalinas para garantir a acessibilidade das enzimas à fibra celulósica.

30 A conversão de celulose em etanol envolve dois passos

fundamentais: hidrólise das longas cadeias das moléculas de celulose em açúcares (hexoses) e fermentação desses açúcares em etanol. Na natureza, esses processos são encetados por fungos e bactérias, que secretam as enzimas capazes de hidrolisar a celulose (chamadas celulases), e principalmente por leveduras, quando se trata da fermentação dos açúcares em álcool. A concepção do presente pedido está consonante com que é realizado na natureza.

Esta estratégia elimina a presença de substâncias tóxicas que seriam geradas pelo processo de hidrólise química da celulose e minimiza a inibição das enzimas do complexo celulásico pelos seus próprios produtos de hidrólise (glicose e celobiose). Esta técnica é denominada como processo SSF, do inglês Simultaneous Saccharification and Fermentation, que envolve a hidrólise enzimática simultânea à fermentação alcoólica.

Técnica relacionada:

É cada dia maior a preocupação com a preservação do meio ambiente. Neste contexto, o aproveitamento de resíduos agrícolas e agro-industriais e a procura de produtos substitutos e/ou alternativos que agridam menos a natureza têm se constituído em tema relevante no cenário mundial. Nesta mesma linha de pensamento, procuram-se fontes alternativas de energia e aproveitamento de resíduos agrícolas e agro-industriais que possam gerar produtos economicamente viáveis e/ou que resultem em produtos menos poluentes. No campo das fontes alternativas de energia, muitas tentativas têm sido realizadas visando à obtenção de combustíveis mais limpos, como por exemplo, o etanol.

No Brasil, com o crescimento da indústria sucroalcooleira, e conseqüentemente, da produção de grandes excedentes de bagaço de cana-de-açúcar, surge um cenário bastante promissor, face à necessidade do aproveitamento racional desse material de composição lignocelulósica. Devido aos interesses ambientais e econômicos, a utilização de etanol

como combustível, aditivo da gasolina ou insumo na fabricação de biodiesel vem aumentando vertiginosamente, destacando o Brasil como um dos maiores produtores do mundo. Desta forma, o Brasil produz enormes quantidades de bagaço e, também, de palha de cana-de-açúcar, 5 ambos representando um grande potencial a ser utilizado para a produção de etanol por via biotecnológica.

A produção de etanol a partir do bagaço de cana, utilizando a via enzimática e fermentativa, permitirá o aproveitamento de um material subutilizado para a geração de um produto de enorme interesse industrial, 10 com ganhos econômicos e ambientais.

A técnica de sacarificação e fermentação simultâneas (processo SSF) voltada para o aproveitamento da fração celulósica está descrita na literatura especializada e vem sendo aplicada com diversas finalidades para a produção de substâncias químicas e combustíveis. Todavia, sua 15 aplicação em escala comercial ainda não foi implantada.

A maior dificuldade que precisa ser superada se refere ao próprio microrganismo, que precisa ser resistente às condições operacionais, principalmente no que tange às concentrações de inibidores gerados no meio reacional, como por exemplo, furfural, hidroxi-metil-furfural, metais 20 pesados, terpenos, taninos, compostos fenólicos, etc., decorrentes do pré-tratamento do material lignocelulósico, que inibem o crescimento da levedura.

Outra dificuldade inerente ao agente biológico reside na limitação da utilização dos gficídios resultantes dos processos hidrolíticos (pentoses e 25 hexoses). Estes dois fatores associados ocasionam processos fermentativos com tempos longos, resultando em baixos valores de produtividade volumétrica, parâmetro de fundamental importância para transposição à escala industrial.

A grande maioria dos relatos mais recentes descreve o uso de 30 microrganismos geneticamente modificados, desenvolvidos para uma

aplicação específica, objetivando contornar estes problemas.

A produção de etanol por tecnologia biológica vem sendo estudada há muito, porém, nos últimos anos, sofreu um grande impulso. Como mencionado anteriormente o grande obstáculo a ser superado se refere à 5 produtividade, ou seja, conseguir um processo economicamente viável e com bons rendimentos, utilizando matéria-prima facilmente acessível.

Grohmann e colaboradores (US 5.125.977) descrevem um processo em que a biomassa (resíduos de agricultura, florestas, vegetais, e de processamento de alimentos) é submetida a um pré-tratamento realizado 10 em duas etapas, visando à recuperação de xilose. Na primeira etapa, a carga de hemicelulose contendo, fundamentalmente, xilanas é submetida a uma pré-hidrólise com ácido diluído (ácido sulfúrico 9% v/v), e o resíduo é submetido a uma segunda etapa de hidrólise enzimática, deixando a biomassa reagir por tempo suficiente para que a celulose seja lentamente 15 hidrolisada. O objetivo do processo é recuperar a xilana, de modo que cerca de 90% possam ser hidrolisados, evitando as limitações dos processos convencionais para produção de xilose. O inconveniente do método é que ao se utilizarem condições severas de temperatura (160°C -220°C) são formadas muitas substâncias inibidoras ao metabolismo da 20 maioria dos microrganismos utilizados em processos fermentativos.

O documento de patente GB 2.253.633, que corresponde ao documento de patente brasileiro PI 9200100 de 15/01/92, descreve um processo para produzir etanol a partir de biomassa em que o substrato inclui um hidrolisado de celulose, hemicelulose e amido, visando produzir 25 açúcares fermentáveis de seis carbonos. Para a fermentação é utilizada uma cepa de levedura geneticamente modificada (Brettanomyces custersii CBS 5512) que produz a enzima p-glucosidade, o que toma esta levedura com habilidade de fermentar tanto glicose quanto celobiose. No entanto, ainda permanece sem solução a fermentação de pentoses.

O documento de patente norte-americano US 5.231.017 descreve

um processo para produzir etanol usando como matéria-prima material contendo alto teor de sólidos secos, como sabugo de milho, grãos, cereais e suas misturas. O amido presente nessas matérias-primas é posto em contato com a enzima a-amilase comercial derivada de Bacillus lickenformis (TAKA-THERM II®), para que seja obtido um meio liquefeito fermentável, o qual é sacarificado em presença de glucoamilase comercial derivada de Aspergillus niger (DISTILLASE®) para se obter amido hidrolisado e açúcares, que são fermentados pela levedura Saccharomyces cerevisae, para se obter etanol. Embora utilize a técnica de sacarificação e fermentação simultânea o método não pode ser aplicado a bagaço de cana.

Torget e colaboradores (US 5.705.369) descrevem um processo genérico de pré-hidrolise de materiais lignocelulósicos em que são investigadas diferentes combinações de faixas de temperatura e de tempo de reação, visando obter melhor percentual de separação de hemicelulose e lignina da celulose. Foram testados diferentes temperaturas (na faixa de 120°C - 240°C) e pH (na faixa de 1 - 7), em um sistema no qual o fluido (produtos solúveis resultantes da pré-hidrólise) se move através da fase sólida (sistema “flow-through”) e determinadas as quantidades de xilana e lignina que foram extraídas do material. A combinação de condições menos severas permitiu um aumento de 5% na remoção de lignina.

O pedido brasileiro PI 0600409-1 de 08/02/2006 descreve um processo de produção de enzimas celulolíticas e hemicelulolíticas a partir de resíduos (madeiras de espécies folhosas e palhas de cereais). Tais resíduos são utilizados como fonte de carbono, indutora de obtenção de dessas enzimas, com cepas de Trichoderma reesei geneticamente melhoradas e notadamente recombinadas. As cepas selvagens deste microorganismo têm a capacidade de secretar, em presença de um substrato indutor (a celulose, por exemplo), o complexo enzimático considerado o mais adaptado à hidrólise da celulose. Trata-se, portanto, de um processo para produção de enzimas celulolíticas e/ou hemicelulolíticas produzidas pela cepa especializada. A primeira etapa do pré-tratamento da biomassa compreende a explosão ao vapor (150°C -250°C) em condição ácida durante alguns minutos, visando transformar a hemicelulose em monômeros, sendo a xilose o açúcar prioritário. Os açúcares são extraídos por lavagem em fase aquosa e utilizados como fonte de carbono para a produção de enzimas; o resíduo sólido da extração, contendo celulose e lignina, pode ser hidrolisado pelas enzimas celulolíticas produzidas.

A invenção objeto do presente pedido, a qual será descrita em detalhe mais adiante, visa igualmente o aproveitamento de resíduos lignocelulósicos, particularmente, resíduo sólido do bagaço de cana-de-açúcar, resultante do pré-tratamento por processo de hidrólise ácida de hemicelulose, objeto do pedido de patente brasileiro PI 0505299-8 de 11/11/2005 da mesma aqui depositante.

Sumário da Invenção

A presente invenção se refere a um processo para produção de etanol a partir de materiais lignocelulósicos por via enzimática, utilizando a técnica de sacarificacão e fermentação simultânea rápida, em condições específicas para o melhor aproveitamento da fração celulósica e uma eficiente produção de etanol.

Mais especificamente o processo da invenção compreende o tratamento do resíduo sólido resultante da hidrólise ácida de bagaço de cana. Segundo este processo um hidrolisado da fração hemicelulósica do bagaço de cana, rico em xilose, foi obtido por meio da hidrólise branda com ácido sulfúrico diluído, e fermentado utilizando-se uma cepa da levedura Pichia stipitis adequadamente aclimatada ao substrato principal do hidrolisado (xilose). O resíduo sólido resultante da hidrólise ácida (celulignina) foi tratado no próprio reator para remoção de lignina, através de uma série de lavagens alcalinas a fim de deixar as fibras celulósicas aptas a receberem uma carga enzimática comercial adequada. O material parcialmente deslignificado foi submetido à sacarificação e fermentação simultânea rápida, para a obtenção do etanol em presença de uma linhagem de levedura naturalmente ocorrente, da espécie Saccharomyces cerevisiae.

A grande vantagem deste processo está na obtenção de etanol a partir de bagaço de cana de açúcar, segundo o qual altas produtividades volumétricas são alcançadas, variando de 1 a 3 g/L.h, lançando-se mão de todo o potencial metabólico de uma levedura que ocorre naturalmente, sem necessidade de modificação genética.

Breve Descrição das Figuras

A Figura 1 apresenta um fluxograma simplificado das principais etapas do processo da invenção.

A Figura 2 apresenta um gráfico que ilustra os resultados obtidos com o processo da invenção.

Descrição Detalhada da invenção

A presente invenção tem por objetivo o aproveitamento das frações polissacarídicas, do bagaço de cana, as quais poderão ser utilizadas na obtenção de etanol, tanto como combustível, quanto como aditivo da gasolina ou insumo químico, sem utilização de altas concentrações enzimáticas e operando em curto período de sacarificação e fermentação alcoólica.

Para que a invenção seja melhor compreendida, sua descrição será referida ao fluxograma apresentado na Figura 1, que corresponde à concretização preferida da invenção.

Como mostrado na Figura 1 a biomassa (1) contendo material lignocelulósico é submetida inicialmente a um processo de hidrólise ácida diluída (2), onde se obtém um hidrolisado hemicelulósico (3), rico em pentoses, que sofrerá fermentação (4) para a produção de etanol, o qual posteriormente será destilado (5), e, um resíduo sólido (6), rico em celulose e lignina, a celulignina. Este material residual (6) é submetido a um pré-tratamento de lavagem (7) com solução alcalina, e posteriormente, a um processo de hidrólise enzimática (sacarificação) (8) para liberar a glicose e, simultaneamente, a um processo de fermentação (9) com levedura, para a fermentação de glicose a etanol, o qual será separado do meio fermentado e destilado (5).

O primeiro estágio do processo compreende a hidrólise branda do bagaço de cana com ácido sulfúrico a 1%, visando-se à obtenção preferencial de pentoses, especialmente xilose, principal componente da fração hemicelulósica de bagaço de cana.

Este primeiro estágio encontra-se descrito em detalhe no pedido de patente brasileiro PI 0505299-8 da mesma aqui depositante. O material celulósico é homogeneizado e submetido à hidrólise ácida branda em reator especial tipo prensa, no qual o vaso principal é submetido a uma pressão de 1 atm (correspondente a uma temperatura de 121°C) durante um tempo determinado em função da relação sólido:líquido, normalmente na faixa de 30 a 50 minutos. A fase líquida (hidrolisado) é separada do resíduo sólido por prensagem no próprio reator, e submetida a um processo de fermentação em presença da levedura Pichia stipitis já aclimatada e adaptada ao meio fermentativo, para a obtenção de etanol.

Contudo, o resíduo sólido contém ainda alto teor de celulose, a qual precisa ser hidrolisada a açúcares que são fermentados por uma linhagem de Saccharomyces cerevisiae para a produção de etanol. O processo objeto da presente invenção, que corresponde ao segundo estágio do processo global, será descrito a partir deste ponto.

O segundo estágio do processo compreende basicamente o tratamento a que é submetido o resíduo sólido, a saber: