Orientador: Marcus Bruno Soares Forte

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos

Resumo: A produção de materiais lignocelulósicos chega a 181,5 bilhões de toneladas no mundo anualmente. A biomassa pode ser utilizada na produção de compostos de elevado valor agregado, como o xilitol, um poliol de ocorrência natural, com poder adoçante semelhante ao da sacarose e apenas dois...

Resumo: A produção de materiais lignocelulósicos chega a 181,5 bilhões de toneladas no mundo anualmente. A biomassa pode ser utilizada na produção de compostos de elevado valor agregado, como o xilitol, um poliol de ocorrência natural, com poder adoçante semelhante ao da sacarose e apenas dois terços das calorias. É comumente produzido por uma via química, mas também há a possibilidade de produção a partir de biomassa. Para a viabilização deste processo biotecnológico, a etapa de purificação persiste como obstáculo. A nanofiltração surge como opção, por ser capaz de separar moléculas de baixa massa molar. Dessa forma, este trabalho teve como objetivo a produção de xilitol por fermentação a partir do hidrolisado de bagaço da cana-de-açúcar e a determinação de uma estratégia para purificação de xilitol biotecnológico utilizando a nanofiltração. Visando a produção de xilitol, o hidrolisado foi pré-tratado, concentrado e destoxificado. A fermentação foi realizada em incubadora de movimentos rotatórios a 200 rpm, sendo obtidas eficiências de conversão de xilose em xilitol de 63,0% e 60,4% para a fermentação em caldo sintético e em hidrolisado, respectivamente. A nanofiltração foi realizada em célula de aço inox sem saída, com agitação magnética. Quatro membranas de nanofiltração foram comparadas (NP010, NP030, NF e NF90). A membrana NF foi selecionada devido ao elevado fator de separação de xilitol em relação a proteínas, menor tendência ao fenômeno de Fouling e maior diferença de cor total entre o permeado e a alimentação. A membrana selecionada foi utilizada para otimização dos fatores pH, temperatura e pressão por meio de planejamento fatorial. O fluxo de permeado e parâmetro de cor a* foram afetados significativamente pelo pH e pressão. A produtividade e a variação de luminosidade foram afetadas também pela pressão. Foram selecionadas as condições de nanofiltração de 40 bar, 40 °C e pH 5,4 com a membrana NF. Tais condições foram utilizadas para a nanofiltração do hidrolisado hemicelulósico fermentado, sendo obtido purificação do xilitol na fração permeada com fator de separação entre xilitol e proteínas de 8,4 e fator de purificação de 3,3. A remoção de proteínas foi de 84,0% e de cor de 96,0%, o que contribui para a formação de cristais homogêneos nas etapas posteriores de purificação. Com intuito de minimizar o efeito de Fouling, foram realizadas etapas de microfiltração e ultrafiltração anteriormente à nanofiltração. Em conclusão, este trabalho permitiu a obtenção de xilitol pelo processo biotecnológico e a determinação de uma estratégia utilizando a nanofiltração para purificação de xilitol. Uma estratégia integrada de purificação deve ser implementada visando atingir purezas elevadas de xilitol e, certamente, a nanofiltração pode ser utilizada como etapa prévia à cristalização para purificação de xilitol biotecnológico

Abstract: The world¿s production of lignocellulosic biomasses reaches 181.5 billion tons annually. This biomass can be converted into valuable products as xylitol, a naturally occurring polyol. It has one third less calories than sucrose. It is used as a sucrose substitute for diabetics patients and...

Abstract: The world¿s production of lignocellulosic biomasses reaches 181.5 billion tons annually. This biomass can be converted into valuable products as xylitol, a naturally occurring polyol. It has one third less calories than sucrose. It is used as a sucrose substitute for diabetics patients and it has anticariogenic properties. It is usually produced by a chemical route, but there is also the possibility of production from lignocellulosic biomass. For this biotechnological process to become technically viable, the purification steps remain as an obstacle. In this context, nanofiltration should be considered as an option since it has the capability of separating low molar mass molecules. This study aimed at producting xylitol from sugarcane bagasse and developing a strategy for xylitol purification by nanofiltration. The purification steps include membrane selection, optimization of process conditions by surface response methodology, and application of the optimized process in the bagasse hydrolysate. For xylitol production, sugarcane bagasse was pre-treated, concentrated and detoxified. The fermentation was carried out in a rotary incubator, and xylitol conversion efficiencies of 63.0% and 60.4% were obtained for the fermentation in synthetic and hydrolyzed broth, respectively. The nanofiltration was carried out in a stirred dead-end cell. Four nanofiltration membranes (NP010, NP030, NF and NF90) were compared. NF membrane was selected since it had the highest xylitol¿protein separation factor, the lowest fouling tendency, and the highest total color difference between feed and permeate. The selected membrane was used to optimize the factors pH, temperature and pressure by response surface methodology, which revealed that permeate flux and color parameter a* were significantly affected by pH and pressure. Process productivity and lightness difference were also affected by temperature. Optimum nanofiltration conditions were 40 bar, 40 °C, and pH 5.4. These conditions were used for the fermented hydrolysate nanofiltration. The xylitol purification was reached in the permeate fraction, with a xylitol-protein separation factor and purification factor of 8.4 and 3.3, respectively. Protein and color removal were 84.0% and 96.0% by the selected strategy. It facilitates the formation of homogeneous crystals in the next downstream steps. In order to minimize the Fouling effect, microfiltration and ultrafiltration steps were performed prior to nanofiltration. An integrated strategy of purification should be implemented in order to attain a high purity in xylitol. Certainly, nanofiltration can be used prior to crystallization as an alternative process to purify xylitol obtained by fermentation of sugarcane bagasse hemicellulose hydrolysate

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