Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Rice husk is a subproduct of the food industry, rich in carbohydrates, which can be partially
fractionated and converted into fermentable sugars. In this work, it was investigated the best
conditions for the conversion of the residual biomass, rice husks, into succinic acid, an
important start molecule for the synthesis of the chemo-pharmaceutical industry.
With the goal of the separation of lignin and transformation of cellulose and hemicellulose
into sugars, the rice husks were submitted, initially, to acid hydrolysis, in autoclave and in
pressurized polytetrafluoroethylene reactor. The hydrolysis conditions were optimized by
factorial design for the pressurized acid hydrolysis; temperature, time and acid catalyst
concentration (HCl or H2SO4) were evaluated. For the acid hydrolysis in autoclave, it was
optimized the ratio rice husks mass: acid volume, time and concentration of HCl or H2SO4.
It was observed that the sugar production by using autoclave was lower than by the
pressurized hydrolysis system, needing further concentration of the hydrolysate for the
subsequent fermentation step. The best results were obtained with the polytetrafluoroethylene
reactor, by 59 bar, with HCl 0,26 mol L-1, at 175°C and reaction time of 46 min, yielding 19.0
g L- 1 of glucose and 3.01 g L- 1 of xylose.
The efficiency of different detoxification methods of the hydrolyzed rice husk were evaluated;
the combined method of pH adjustment plus adsorption on active carbon was the most
effective by eliminating inhibitors, without appreciable reduction of the sugar concentration.
The detoxified hydrolysate was sterilized and adjusted at pH 7 and fermented with A.
succinogenes at 37 ° C, in anaerobic medium, occurring the conversion of the two main
monosaccharides, glucose and xylose, into succinic acid.
The nutrient concentration and the agitation rate of the medium were also optimized by
factorial design. As a result, after 54 h of static fermentation, the hydrolysate was
supplemented with 8.40 g L-1 yeast extract and 1.40 g L -1 of NaHCO3, to yield 59.9% succinic acid. Almost all of the sugar at this time was consumed and converted to succinic
acid; at the same time, acetic and formic acid are formed, but, in low concentrations related to
the production of succinic acid, not compromising the yield of the process.
For the succinic acid extraction and purification, the fermentate was submitted to the solid
phase extraction procedure; cartridges with different extraction phases were tested, and
among them, the ion exchange one was the only effective, with recoveries up to 96%. After
solid phase extraction, the eluted solution, containing 12.05 g L- 1 succcinic acid, was
lyophilized, and crystals of succinic acid with 80.7% (m m- 1) were obtained.
The raw material used in the bioprocess has no commercial value, representing a zero cost
carbon source, which reveals itself adequate to the succinic acid production by fermentation
with A. succinogenes, after hydrolysis.
The use of the residual rice husk can contribute to the mitigation of the environmental impact
resulting from the illegal discharge in the environment. / A casca de arroz é um subproduto da indústria de alimentos, rico em carboidratos, que pode
ser fracionada e, parcialmente, convertida em açúcares fermentescíveis. Neste trabalho,
investigou-se as melhores condições para a conversão da biomassa residual, casca de arroz,
em ácido succínico, importante insumo para a síntese industrial farmoquímica.
Com o objetivo de separação da lignina e transformação da celulose e da hemicelulose em
açúcares, a casca de arroz foi submetida, inicialmente, à hidrólise ácida em autoclave e em
reator de politetrafluoretileno, à pressão. As condições de hidrólise foram otimizadas através
de planejamento fatorial, sendo avaliado na hidrólise ácida pressurizada, a influência da
temperatura, do tempo e da concentração do catalisador ácido (HCl ou H2SO4); já, na
hidrólise em autoclave, otimizou-se a relação massa de casca de arroz : volume de solução
ácida, tempo e concentração de HCl ou H2SO4.
Observou-se que a produção de açúcares em autoclave é inferior à do sistema de hidrólise à
pressão, necessitando, inclusive, concentração do hidrolisado para utilização na etapa
fermentativa. Os melhores resultados foram obtidos com o reator de politetrafluoretileno, à
pressão de 59 bar, com 0,26 mol L-1 de HCl, temperatura de 175 °C e tempo de reação de 46
min, produzindo-se 19 g L-1 de glicose e 3,01 g L-1 de xilose.
Avaliou-se a eficiência de diferentes métodos de destoxificação do hidrolisado de casca de
arroz, sendo o método combinado, de ajuste de pH seguido de adsorção em carvão ativado, o
mais eficaz na eliminação de inibidores, sem redução apreciável da concentração de açúcares. O hidrolisado destoxificado foi esterilizado, ajustado a pH 7 e fermentado com A.
succinogenes, à 37 ºC, em meio anaeróbio, ocorrendo a conversão dos monossacarídeos
predominantes, glicose e xilose, em ácido succínico.
A concentração dos nutrientes e a velocidade de agitação do meio também foram otimizadas
por meio de planejamento fatorial. Após 54 h de fermentação estática do hidrolisado,
suplementado com 8,40 g L-1 de extrato de levedura e 1,40 g L-1 de NaHCO3, o rendimento
em ácido succínico foi de 59,9%. Praticamente, toda a concentração de açúcar é consumida
neste tempo e convertida em ácido succínico; simultaneamente, formam-se ácido acético e
fórmico, porém, em baixas concentrações em relação à produção de ácido succínico, não
comprometendo o rendimento do processo.
Para a extração e purificação do ácido succínico, o fermentado foi submetido ao procedimento
de extração em fase sólida; cartuchos com diferentes fases extratoras foram testados, e, dentre
eles, somente o de troca iônica se mostrou efetivo, com recuperação de até 96,0%. Após a
extração, o eluido da extração em fase sólida, contendo 12,0 g L-1 de ácido succínico foi
liofilizado, obtendo-se cristais com pureza de 80,7% (m m-1).
A matéria-prima utilizada no bioprocesso, casca de arroz, não tem valor comercial,
representando fonte de carbono de custo zero, que se revelou adequada à produção de ácido
succínico por meio de fermentação com A. succinogenes, após hidrólise.
O aproveitamento da casca de arroz residual pode contribuir para a mitigação do impacto
ambiental resultante da disposição ilegal no ambiente.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsm.br:1/4260 |
| Date | 16 December 2013 |
| Creators | Bevilaqua, Daiane Balconi |
| Contributors | Martins, Ayrton Figueiredo, Oliveira, Elizangela Gonçalves de, Carissimi, Elvis, Dallago, Rogério Marcos, Richards, Neila Silvia Pereira dos Santos |
| Publisher | Universidade Federal de Santa Maria, Programa de Pós-Graduação em Química, UFSM, BR, Química |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSM, instname:Universidade Federal de Santa Maria, instacron:UFSM |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 100600000000, 400, 300, 300, 300, 300, 300, 500, ade6000d-a348-4d49-a531-6500a65a153a, 486bc091-1e85-4d81-bbae-50f40b6604ad, 3778f147-7940-482c-b415-b28faf78b23c, e17fa918-e6fc-4cc7-95ff-b1b504fb16a4, 24ded0f7-6d99-4c39-997d-0e6db3f4407e, 17a21f77-88b4-4d77-8396-049941753c69 |
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