BRPI0903273A2 - biotechnological production of xylitol from organic sugarcane bagasse - Google Patents
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Abstract
PRODUÇçO BIOTECNOLàGICA DE XILITOL A PARTIR DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇéCAR ORGÂNICO. É iniciada com o bagaço da cana-de-açúcar orgânico 1, que passa pelo processo de lavagem 2, para retirada de sílica, terra e resíduos agrícolas, depois pela hidrólise 3, que separa a hemicelulose da celulose e lignina, passa pela decantação 4, segue para o concentrador A 5, que concentra em 5 vezes o volume inicial e logo após passa pelo processo de purificação 6 com seus processos de troca aniônicas e catiônicas que podem ser substituidas por carvão ativado, pela esterilização 7, para evitar a presença de microorganismos que atrapalhem a produção e o metabolismo no próximo processo que é a fermentação 8, onde se consegue uma parte sólida e uma parte líquida. A parte sólida segue para secagem e é empregada em rações, já a parte líquida, segue para o Concentrador B 11, que concentra em até 16 vezes o volume inicial e depois passa pela purificação 12, também por colunas de troca anlônicas e catiônicas e por cristalização 13 dá origem ao xilitol puro 14.BIOTECHNOLOGICAL PRODUCTION OF XYLITOL FROM ORGANIC SUGARCANE. It starts with the bagasse of organic sugar cane 1, which goes through the washing process 2, to remove silica, soil and agricultural residues, then by hydrolysis 3, which separates hemicellulose from cellulose and lignin, goes through decanting 4 , goes to concentrator A 5, which concentrates the initial volume 5 times and then goes through the purification process 6 with its anionic and cationic exchange processes that can be replaced by activated carbon, by sterilization 7, to avoid the presence of microorganisms that hinder production and metabolism in the next process, which is fermentation 8, where a solid part and a liquid part are obtained. The solid part goes for drying and is used in rations, while the liquid part goes to Concentrator B 11, which concentrates up to 16 times the initial volume and then goes through purification 12, also through anionic and cationic exchange columns and by crystallization 13 gives rise to pure xylitol 14.
Description
PRODUÇÃO BIOTECNOLÓGICA DE XILITOL A PARTIR DO BAGAÇO DECANA-DE-AÇÚCAR ORGÂNICOBIOTECHNOLOGICAL PRODUCTION OF XYLITOL FROM ORGANIC SUGAR BAG
A presente invenção refere-se a um método de produção de xilitolatravés do emprego de um hidrolisado contendo xilose, proveniente de bagaçode cana de açúcar orgânico, ou seja, processos para obtenção de xilitol debagaço de cana de açúcar orgânico, tais como: hidrolise ácida (0,2-5,0%),purificação do hidrolisado, fermentação para produção de xilitol, purificação doxilitol e cristalização.The present invention relates to a method of producing xylitol through the use of an xylose-containing hydrolyzate from organic sugarcane bagasse, that is, processes for obtaining organic sugarcane bleaching xylitol such as: acid hydrolysis ( 0.2-5.0%), hydrolyzate purification, fermentation for xylitol production, doxylitol purification and crystallization.
O xilitol é um adoçante produzido pelo corpo humano e também a partirda conversão da xilose por um processo químico ou um processo fermentativousando microrganismos. Embora o xilitol também seja calórico, cada gramacontém apenas 2,4 kcal. Por não causar cáries têm sido amplamenteempregado na indústria de alimentos na produção de goma de mascar, balas,etc. Esse adoçante também é bastante usado na indústria de alimentos comocomplemento ao manitol e sorbitol para adoçar balas, chicletes, etc., mas emmenor escala.Xylitol is a sweetener produced by the human body and also from the conversion of xylose by a chemical process or a fermentative process using microorganisms. Although xylitol is also caloric, each gram contains only 2.4 kcal. By not causing tooth decay they have been widely employed in the food industry in the production of chewing gum, candies, etc. This sweetener is also widely used in the food industry as a supplement to mannitol and sorbitol to sweeten candies, chewing gum, etc., but to a lesser extent.
A produção de xilitol pode ser dada por duas vias: a química e abiológica ou biotecnológica.Xylitol can be produced by two routes: chemical and abiological or biotechnological.
Atualmente o xilitol é produzido em escala industrial por via química apartir de resíduos lignocelulósicos ricos em xilana, o qual inclui quatro passosbásicos: hidrólise ácida de material vegetal, purificação do hidrolisado até aobtenção de xilose pura, hidrogenação catalítica da xilose em xilitol efinalmente cristalização do xilitol. Entretanto, nesta via química é difícil alcançaralto rendimento (50-60% de xilose é convertida a xilitol), principalmente peloalto custo dos processos de recuperação e purificação da xilose e do xilitol.Já na via biológica ou biotecnológica, o metabolismo de xilose emleveduras ocorre em dois passos principais com a participação das enzimasxilose redutase que converte xilose em xilitol com a participação de NAD(P).Dentre os fatores reguladores desta bioconversão destacam-se a concentraçãode xilose, a idade e concentração do inóculo, o pH, a temperatura e aconcentração de oxigênio. No caso de hidrolisados hemicelulósicos, além dosaçúcares, tem-se a presença de compostos tóxicos à levedura, como ácidoacético e fenólicos, que podem inibir a bioconversão de xilose em xilitol emfunção da concentração em que se encontram no meio.Currently xylitol is produced on an industrial scale chemically from xylan-rich lignocellulosic residues, which includes four basic steps: acid hydrolysis of plant material, purification of hydrolyzate to pure xylose, catalytic hydrogenation of xylose to xylitol and finally xylitol crystallization . However, in this chemical pathway it is difficult to achieve high yield (50-60% of xylose is converted to xylitol), mainly due to the high cost of xylose and xylitol recovery and purification processes. Already in biological or biotechnological pathway, xylose metabolism occurs in yeast. in two main steps with the participation of the enzymes xylose reductase that converts xylose to xylitol with the participation of NAD (P). Among the regulating factors of this bioconversion are the xylose concentration, the age and concentration of the inoculum, the pH, the temperature and oxygen concentration. In the case of hemicellulosic hydrolysates, in addition to sugars, there is the presence of yeast-toxic compounds, such as acetic acid and phenolics, which may inhibit xylose xylitol bioconversion as a function of their concentration in the medium.
Para a produção biotecnológica é necessária a utilização de materialorgânico no caso do processo aqui descrito o bagaço da cana-de-açúcar. Epara sua utilização ele tem que passar por um processo de preparação. Opreparo do bagaço é uma das operações mais importantes do processo derealização da hidrólise, pois quanto menor a fibra, melhor. Quando a fibra émenor, maior é sua área de contato e conseqüentemente maior eficiência. Aqualidade da cana também é importante, quanto mais fibra, melhor. Apóspassar por um processo de separação de fibras, o material será encaminhadoa um tanque para uma breve lavagem onde será feita a retirada de materiaisindesejáveis tais como sílica, terra, etc. O bagaço será adicionado uma soluçãoácida ou enzimática, podendo ser usado os ácidos sulfúricos ou carbônicos ouácidos de Lewis ou enzimas em substituição ao ácido. No caso da hidrólisecom ácido carbônico, será realizada uma hidrólise prévia a explosão com altapressão. Já no caso da hidrólise com ácido sulfúrico será realizada a hidrólisecom alta temperatura de 120°C e alta pressão (1bar) e no caso de hidróliseenzimática usam-se enzimas produzidas por microorganismos. A última é amais recomendada no caso da produção de produtos orgânicos, embora aindaseja o processo mais caro devido aos custos das enzimas. Após, o materialdeverá ser conduzido a um tanque de decantação onde permanecerá por atétrês horas. Depois da decantação, o material será conduzido a um sistema deseparação sólido/líquido que poderá ser feito por centrífuga ou filtro prensa oumembranas. Em seguida o bagaço, depois de hidrolisado, tem em suacomposição apenas celulose e lignina. A fração hemicelulósica fica na partelíquida. O bagaço deverá passar por um processo de lavagem, onde seráretirada a fração ácida que resta. Após essa lavagem, o material voltará aoprocesso de secagem até chegar a uma umidade de nível aceitável para serqueimado na caldeira ou utilizado no preparo de ração animal oucompensados, etc. A parte líquida será conduzida a um tanque denominadoConcentrador A, a uma temperatura de 70°C e com auxílio de uma bomba avácuo acoplada e um condensador de água que concentrará em 5 vezes seuvolume inicial. Esse processo tem um tempo aproximado de quatro horas,dependendo da eficiência dos equipamentos. O principal objetivo desteprocesso é fazer a retirada da água existente no caldo.For biotechnological production, the use of organic material is necessary in the case of the process described here sugarcane bagasse. And for its use it has to go through a preparation process. The preparation of the bagasse is one of the most important operations of the hydrolysis process, because the smaller the fiber, the better. When the fiber is smaller, its larger contact area and consequently greater efficiency. Cane quality is also important, the more fiber the better. After undergoing a fiber separation process, the material will be sent to a tank for a brief wash where undesirable materials such as silica, earth, etc. will be removed. The bagasse shall be added to an acidic or enzymatic solution, and sulfuric or carbonic acids or Lewis acids or enzymes may be used instead of acid. In the case of hydrolysis with carbonic acid, a hydrolysis prior to explosion with high pressure will be performed. In the case of hydrolysis with sulfuric acid will be performed hydrolysis with high temperature of 120 ° C and high pressure (1bar) and in the case of enzymatic hydrolysis enzymes produced by microorganisms are used. The latter is more recommended in the case of organic production, although it is still the most expensive process due to the costs of enzymes. Afterwards, the material should be taken to a settling tank where it will remain for up to three hours. After decanting, the material will be led to a solid / liquid separation system which may be made by centrifuge or filter press or membranes. Then the bagasse, once hydrolysed, has only cellulose and lignin in its composition. The hemicellulosic fraction is in the parteliquid. The bagasse should go through a washing process, where the remaining acid fraction will be removed. After this washing, the material will return to the drying process until it reaches an acceptable humidity level to be burned in the boiler or used in the preparation of animal feed or plywood, etc. The liquid part will be led to a tank called Concentrator A, at a temperature of 70 ° C and with the aid of a coupled vacuum pump and a water condenser that will concentrate at 5 times its initial volume. This process takes approximately four hours, depending on the efficiency of the equipment. The main objective of this process is to remove the existing water in the juice.
O resultado no tanque Concentrador A, que é o concentrado, precisa serpurificado. O processo de purificação do concentrado é realizado através detrocas aniônicas e catiônicas em colunas independentes, que podem sersubstituídas por carvão ativado. Sendo três aniônicas e uma catiônica. Ascolunas receberão as resinas onde o hidrolisado, já concentrado, passará deforma contínua em cada uma delas em uma faixa de temperatura de 30 e 55°C.Este processo demora em média três horas.The result in the Concentrator A tank, which is the concentrate, needs to be purified. The concentrate purification process is performed through anionic and cationic detonations in independent columns, which can be replaced by activated charcoal. Being three anionic and one cationic. The columns will receive the resins where the hydrolyzate, already concentrated, will pass continuously in each one in a temperature range of 30 and 55 ° C. This process takes an average of three hours.
Em seguida é necessário se preparar o meio de cultura. O meio decultura será preparado em um tanque, onde serão adicionados váriosnutrientes, sulfato de amônia, cloreto de cálcio e extrato de arroz, que servirãode alimentos para o crescimento do microorganismo, a levedura. Após adiluição dos nutrientes se faz necessária a esterilização do material, pois apresença de outros tipos de bactéria podem ser indesejáveis e prejudiciais aodesempenho da fermentação e do metabolismo do xilitol. O material é aquecidode 100-120°C durante 10-20 minutos e depois resfriado a 30°C. O materialtambém pode ser esterilizado por uso de membranas esterilizantes.Next, the culture medium must be prepared. The culture medium will be prepared in a tank, where various nutrients, ammonium sulfate, calcium chloride and rice extract will be added, which will serve as food for the growth of the microorganism, the yeast. After nutrient addition, sterilization of the material is necessary, as the presence of other types of bacteria may be undesirable and harmful to the performance of fermentation and metabolism of xylitol. The material is heated at 100-120 ° C for 10-20 minutes and then cooled to 30 ° C. The material may also be sterilized by use of sterilizing membranes.
Uma questão deve ser atentada neste processo de cultura: osparâmetros de entrada e saída são os mesmos, ou seja, o volume de entrada éo mesmo volume de saída não havendo perda ou ganho de volume,possibilitando o uso do tanque da autoclave para este processo diminuindo oinvestimento em equipamentos. Quando se utilizar a esterilização pormembranas não se utilizará a autoclave, e o processo fica mais rápido e maiseconômico.One question must be addressed in this culture process: the input and output parameters are the same, ie the input volume is the same output volume with no loss or volume gain, allowing the use of the autoclave tank for this process reducing investment in equipment. When using membrane sterilization, the autoclave will not be used, and the process becomes faster and more economical.
Depois do preparo do meio de cultura dá-se início ao processofermentativo. O processo fermentativo é um dos processos mais críticos daindústria, há sempre necessidade de um acompanhamento periódico por partedos técnicos, é neste processo que acontece grande parte das contaminaçõespor microorganismos que disputam os nutrientes do meio com a leveduraprejudicando o processo de transformação da xilose em xilitol. Após oresfriamento do mosto, este receberá leveduras, 10% (v/v), e fermentará sobagitação de 300 rpm, com aeração de 0,7 a 1,3 vvm a 30°C por 72 a 120 horas.Após a produção do xilitol, o meio contendo levedura será conduzido àcentrifugação para retirada das leveduras, separação sólido/líquido sendo:centrífuga, filtro prensa ou membranas. A parte sólida será conduzida a umprocesso de secagem, onde será embalada e vendida como fonte de proteína,ração animal. A parte líquida será conduzida a um tanque denominadoConcentrador B1 a uma temperatura de 70°C, e com auxílio de uma bomba avácuo acoplada a um condensador, concentrará em 16 vezes seu volumeinicial. Esse processo tem um tempo aproximado de 10 horas.After preparation of the culture medium, the fermentative process begins. The fermentation process is one of the most critical processes in the industry, there is always a need for periodic monitoring by technical staff, it is in this process that most of the contamination by microorganisms that dispute the nutrients of the medium with yeast, causing the process of transformation of xylose to xylitol. After the wort has cooled, it will receive yeast 10% (v / v) and ferment at 300 rpm under agitation with aeration of 0.7 to 1.3 vvm at 30 ° C for 72 to 120 hours. After xylitol production , the medium containing yeast will be led to centrifugation to remove the yeast, solid / liquid separation being: centrifuge, filter press or membranes. The solid part will be led to a drying process, where it will be packaged and sold as a source of protein, animal feed. The liquid part will be led to a tank called Concentrator B1 at a temperature of 70 ° C, and with the aid of a vacuum pump coupled to a condenser, will concentrate at 16 times its initial volume. This process has an approximate time of 10 hours.
O processo de purificação do concentrado é realizado através de resinasde trocas aniônicas e catiônicas em colunas independentes, que podem sersubstituídas por carvão ativado. Sendo três aniônicas e uma catiônica. Ascolunas receberão as resinas onde o fermentado, já concentrado, passará deforma contínua em cada uma delas em uma faixa de temperatura de 30 a 55°C.Este processo demora em média 3 horas e há uma diminuição naconcentração da xilitol devido às perdas na etapa de purificação do caldofermentado, em média 10%.The concentrate purification process is carried out through anionic and cationic exchange resins in independent columns, which can be replaced by activated charcoal. Being three anionic and one cationic. The columns will receive the resins where the fermented concentrate will pass continuously in each of them in a temperature range of 30 to 55 ° C. This process takes an average of 3 hours and there is a decrease in xylitol concentration due to losses in the production stage. purification of fermented cald, on average 10%.
Após a saída da última coluna de troca catiônica, teremos um xaropeconcentrado de xilitol isento de impurezas, com um poder adoçante igual ao dasacarose. Este xarope deverá ser armazenado em tanques, a uma temperaturade até 30°C, para posteriormente ser levado ao processo de cristalização. Oprocesso de cristalização é semelhante ao da sacarose, somente diferenciandoque é preciso adicionar álcool a solução de xilitol, na proporção de 50%.After leaving the last cation exchange column, we will have an impurity-free xylitol syrup with a sweetening power equal to dasacarose. This syrup should be stored in tanks at a temperature of up to 30 ° C for subsequent crystallization. The process of crystallization is similar to that of sucrose, only differentiating that it is necessary to add alcohol to the xylitol solution, in the proportion of 50%.
A produção biotecnológica de xilitol a partir do bagaço de cana-de-açúcar orgânico é melhor compreendido na figura anexa onde:The biotechnological production of xylitol from organic sugarcane bagasse is better understood in the attached figure where:
A figura 1 é o esquema das etapas do processo.Figure 1 is the outline of the process steps.
A produção biotecnológica de xilitol a partir do bagaço da cana-de-açúcar orgânico é iniciada com o bagaço da cana-de-açúcar orgânico 1, quepassa pelo processo de lavagem 2, para retirada de sílica, terra e resíduosagrícolas, depois pela hidrólise 3, que separa a hemicelulose da celulose elignina, passa pela decantação 4, segue para o concentrador A 5, queconcentra em 5 vezes o volume inicial e logo após passa pelo processo depurificação 6 com seus processos de troca aniônicas e catiônicas que podemser substituídas por carvão ativado, pela esterilização 7, para evitar a presençade microorganismos que atrapalhem a produção e o metabolismo no próximoprocesso que é a fermentação 8, onde se consegue uma parte sólida e umaparte líquida. A parte sólida segue para secagem e é empregada em rações, jáa parte líquida, segue para o Concentrador B 11, que concentra em até 16vezes o volume inicial e depois passa pela purificação 12, também por colunasde troca aniônicas e catiônicas e por cristalização 13 dá origem ao xilitol puro 14.Biotechnological production of xylitol from organic sugarcane bagasse is started with organic sugarcane bagasse 1, which goes through the washing process 2, to remove silica, soil and agricultural residues, then hydrolysis 3. , which separates hemicellulose from elignin cellulose, goes through decantation 4, goes to concentrator A 5, which concentrates 5 times the initial volume and then goes through purification process 6 with its anionic and cationic exchange processes that can be replaced by activated charcoal. , by sterilization 7, to avoid the presence of microorganisms that hinder production and metabolism in the next process which is fermentation 8, where a solid part and a liquid part are obtained. The solid part goes to drying and is used in rations, while the liquid part goes to Concentrator B 11, which concentrates up to 16 times the initial volume and then goes through purification 12, also by anionic and cation exchange columns and crystallization 13. origin of pure xylitol 14.
A produção biotecnológico de xilitol a partir do bagaço de cana-de-açúcar orgânico inova em utilizar o sistema biotecnológico para produção emescala industrial ao invés do processo químico, aumentando o rendimento daquantidade final de xilitol maior e com custo mais baixo.The biotechnological production of xylitol from organic sugarcane bagasse innovates in using the biotechnological system for industrial scale production instead of the chemical process, increasing the yield of the higher and lower cost xylitol final amount.
Obviamente será percebido que, enquanto o acima foi descrito por formade exemplo ilustrativo desta invenção, todas as outras modificações evariações feitas a esta invenção, na forma que seria aparente aos especialistasna técnica, são consideradas dentro do amplo escopo e âmbito desta invenção.Obviously it will be appreciated that while the above has been described by way of illustrative example of this invention, all other modifications and variations made to this invention, as would be apparent to those skilled in the art, are considered within the broad scope and scope of this invention.
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| WO2022000060A1 (en) * | 2020-06-28 | 2022-01-06 | Universidade Estadual De Campinas | Continuous biotechnological xylitol purification process |
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2009
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| WO2022000060A1 (en) * | 2020-06-28 | 2022-01-06 | Universidade Estadual De Campinas | Continuous biotechnological xylitol purification process |
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