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Title in Portuguese: Desenvolvimento do processo de recuperação e purificação do xilitol produzido por rota biotecnológica utilizando o hidrolisado hemicelulósico do bagaço de caju como matéria-prima
Author: Marques Junior, José Edvan
Advisor(s): Rocha, Maria Valderez Ponte
Keywords: Engenharia química
Caju
Cristalização
Frutas - Resíduos
Cashew apple bagasse
Xylitol
Crystallization
Anti-solvent
Protic ionic liquid
Issue Date: 11-Mar-2019
Citation: MARQUES JUNIOR, J. E. Desenvolvimento do processo de recuperação e purificação do xilitol produzido por rota biotecnológica utilizando o hidrolisado hemicelulósico do bagaço de caju como matéria-prima. 2019. 93 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química)-Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2019.
Abstract in Portuguese: Um tipo de indústria que apresenta grande destaque no Brasil e em especial no Estado do Ceará é a indústria do caju. Só nesse estado são produzidas cerca de 30,9 mil toneladas por ano, e tal produção gera uma grande quantidade de resíduo, o bagaço de caju. Este material é composto de celulose, hemicelulose e lignina, e os polissacarídeos podem ser hidrolisados, obtendo carboidratos, principalmente glicose e xilose, que podem ser utilizados em diferentes processos. Esses açúcares podem ser metabolizados por microrganismos gerando produtos de interesse comercial como, por exemplo, o xilitol. Este carboidrato vem sendo utilizado em diversos ramos industriais como alimentícios, farmacêuticos, odontológicos, entre outros. O meio cultivado para a produção de xilitol por bioprocesso, utilizando hidrolisados de biomassa, contém impurezas, exigindo, assim, processos de separação e purificação. Neste contexto, a presente dissertação teve como objetivo estudar a recuperação e purificação do xilitol obtido por produção biotecnológica, usando a levedura Kluyveromyces marxianus ATCC36907 e o hidrolisado hemicelulósico do bagaço de caju como meio de cultivo, e sua posterior purificação pelo processo de cristalização. Realizou-se uma hidrólise ácida branda no bagaço de caju, obtendo um hidrolisado contendo 15,66 g/L e 11,87 g/L de glicose e xilose, respectivamente, o qual foi usado para produzir xilitol. Após, iniciou-se o estudo dos processos de recuperação e cristalização, avaliando-se a influência de diferentes antissolventes (água-etanol, água-isopropanol e água-líquido iônico prótico acetato de 2- hidroxietanolamina – 2HEAA), a porcentagem de antissolvente no meio (10-90% v/v) e a velocidade de resfriamento (Vr, 0,25-0,50 °C/min), e comparou-se os resultados com o xilitol comercial. Nos experimentos utilizando o xilitol PA foi obtido um rendimento de 93% usando etanol 70% (v/v) como antissolvente e uma velocidade de resfriamento linear de 0,25 °C/min. Os resultados utilizando o líquido iônico prótico 2-HEAA com xilitol PA apresentaram um rendimento de 80% independente da velocidade de resfriamento. As melhores condições para o processo de cristalização do xilitol produzido foram utilizando o antissolvente isopropanol a 50% (v/v) com taxa de resfriamento 0,5 °C/min, ocorrendo uma nucleação secundária, alcançando um rendimento de 69,7% e pureza destes cristais de 84,8, e em alguns casos como, utilizando etanol com velocidade de resfriamento linear de 0,5 °C/min, isopropanol ou líquido iônico prótico 2-HEAA, não ocorreu à cristalização. Com um balanço de massa simples, usando 1000 Kg de bagaço de caju obtém-se 7,86 g de xilitol na melhor condição de cristalização (isopropanol 50% e Vr 0,5 °C/min) e este poliol apresentou características similares ao xilitol PA como, aparência e cristalinidade. Desta maneira, concluiu-se que xilitol pode ser obtido usando o hidrolisado do bagaço de caju como matéria-prima e pode ser recuperado por cristalização.
Abstract: One type of industry that stands out in Brazil and especially in the State of Ceará is the cashew industry. Only in this state are produced about 30.9 thousand tons per year, and this production generates a large amount of residue, the cashew apple bagasse. This material is composed of cellulose, hemicellulose and lignin, and the molecules of polysaccharides can be broken, obtaining carbohydrates, mainly glucose and xylose, that can be used in different processes. Such sugars can be metabolized by microorganisms to synthesize products of commercial interest, such as xylitol. This carbohydrate has been used in several industrial sectors such as food, pharmaceutical, dental, among others. The medium cultivated for the production of xylitol by bioprocess using biomass hydrolyzates contains impurities, thus requiring separation and purification processes. In this context, the present dissertation aims to study the recovery and purification of the xylitol obtained by biotechnological production, using the yeast Kluyveromyces marxianus ATCC36907 and the hemicellulosic hydrolyzate of the cashew apple bagasse (CAB) as a culture medium, and its subsequent purification by the crystallization. The CAB was hydrolyzed by acid obtaining a hydrolyzate containing 15.66 g/L and 11.87 g/L of glucose and xylose, respectively, which was used to produce xylitol. After that, the study of the recovery and crystallization processes was started, evaluating the influence of different antisolvents (water, ethanol, isopropanol and protic ionic liquid 2-hydroxyethanolamine acetate – 2-HEAA), the percentage of antisolvent (10-90%) and the cooling rate (Vr, 0.25-0.50 °C/min), and the results were compared with commercial xylitol. In the experiments using xylitol PA a yield of 93% was obtained using 70% (v/v) ethanol as antisolvent and a linear cooling rate of 0.25 °C/min. The results using the proton ionic liquid 2-HEAA with xylitol PA showed an efficiency of 80% regardless of the cooling rate. The best conditions for the crystallization of the xylitol produced were using the 50% (v/v) isopropanol with a cooling rate of 0.5 °C/min, occurring a secondary nucleation, achieving a yield of 69.7% and purity of these crystals of 84.8, and in some cases, using ethanol with a linear cooling rate of 0.5 °C/min, 70% (v/v) isopropanol or protic ionic liquid 2-HEAA, did not occur at crystallization. By simple mass balance, using 1000 Kg of cashew apple bagasse, 7.86 g of xylitol was obtained in the best crystallization condition (50% isopropanol and Vr 0.5 °C/min) and this polyol presented characteristics similar to xylitol PA as, appearance and crystallinity. Then, it was concluded that xylitol can be obtained using hydrolyzate from cashew apple bagasse as the raw material and can be recovered by crystallization.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/42026
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