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Publicação
Valorisation of corn fibre: optimisation of an integrated process to produce bio-vanillin
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
The work presented in this PhD thesis aims at developing an integrated process that maximises the
potential corn fibre by-products to be used as bio-vanillin production. The development of this process
compromised in first step, recovery ferulic acid (substrate for bio-vanillin production) from corn fibre.
A mild alkaline extraction to recovery ferulic acid from wet corn fibre was optimised, resulting an
extract with a concentration of 2.10 ± 0.09 g.L-1 and a recovery yield of 11.14 ± 1.00 Kg ferulic acid.Ton -
1
dry corn fibre (in pilot scale). The optimised seven-hour process uses a low concentration of sodium
hydroxide (0.25 M), a mild temperature (30º C) and a liquid-to-solid ratio of 10 g solvent.g-1
dry fibre.
Alternatively, an enzymatic hydrolysis using available commercial enzyme preparations was studied.
However, even with a hydrothermal pre-treatment before the enzymatic hydrolysis, the yield of ferulic
acid was lower than in mild alkaline extraction.
The ferulic acid released by alkaline extraction was successfully separated from the arabinoxylans (addvalue
compounds, with high viscosity), by ultrafiltration using the membrane Nadir® UP150. Through
a mathematical modelling, involving the response surface methodology (RMS), it was possible to
determine that the conditions of ultrafiltration (temperature, initial cross-flow velocity and
transmembrane pressure) that led to the maximisation of ultrafiltration performance, with values of
minimised of ferulic acid rejection and with maximised values of arabinoxylans rejection and
permeabilities. The adsorption process with the Macronet® MN102 resin allowed the
elimination/reduction of compounds with antimicrobial effect from ultrafiltrate alkaline extract. These
compounds were having a negative effect on the bioconversion of ferulic acid into vanillin by the
Amycolatopsis sp. ATCC 39116. The study of the adsorption process in columns continuous allowed to
determinate the parameters for scale up the process. The bio-vanillin production by Amycolatopsis sp.
ATCC 39116 was studied using synthetic ferulic acid as a precursor, aiming at achieving maximised
overall vanillin productivities. It is also compared the bio-vanillin production using commercial and
ferulic acid extracted from corn fibre after the purification. Similar synthetic parameters were obtained
using both types of ferulic acid, except vanillin yield, that was inferior using ferulic acid extracted from
corn fibre, when compared with synthetic ferulic acid.
To obtain purified vanillin from the bioconversion broth, organophilic pervaporation and vacuum
distillation processes were studied and compared. In both process was possible to recover vanillin,
without the presence of undesirable contaminants. Vacuum distillation with consecutive pulses was
preferred over pervaporation due to the higher vanillin fluxes obtained: 2.7±0.1 g.m-2h-1 for vacuum
distillation compared to 1.19±0.01 g.m-2h-1 for pervaporation, although the highest energy consumption
in vacuum distillation. Concerning the economic assessment of the bio-vanillin plant (20 ton/ano), the
payback period calculates was 0.9 years.
O trabalho apresentado nesta tese de doutoramento visa desenvolver um processo integrado para a produção de bio-vanilina a partir da fibra de milho, subproduto da indústria do amido, representando uma valorização deste subproduto. A primeira etapa do processo envolveu a recuperação de ácido ferúlico (substrato na produção de bio-vanilina) da fibra de milho. Através de uma extração alcalina da fibra de milho, com condições operacionais suaves, à escala piloto, foi possível obter um rendimento maximizado de 11.14 ± 1.00 kgácido ferúlico. Tonfibra seca -1. Este valor de rendimento foi obtido através da seleção das condições operacionais da extração alcalina: tempo de extração de 7 horas, uma solução aquosa de hidróxido de sódio (0.25 M), uma temperatura de 30º C e uma razão solido-líquido de 10 g solvente.g-1 fibra seca. Alternativamente, foi estudada uma hidrólise enzimática usando preparações enzimáticas comerciais. Contudo, mesmo com a aplicação de um pré-tratamento hidrotérmico, o rendimento de ácido ferúlico foi inferior quando comparado com a extração alcalina. O processo de ultrafiltração utilizando a membrana Nadir® UP150, permitiu a eficaz separação do ácido ferúlico dos arabinoxilanos (compostos de valor acrescentado, com grande viscosidade), presentes no extrato alcalino. A partir de um modelo matemático, envolvendo a metodologia de superfície de resposta (RSM), foi possível determinar que as condições da ultrafiltração (temperatura, velocidade de fluxo cruzado inicial e pressão transmembranar) que levaram a uma maximização da performance da ultrafiltração, com valores minimizados de rejeição de ácido ferúlico, valores maximizados de rejeição de arabinoxilanos e permeabilidades. O processo de adsorção com a resina Macronet® MN102 permitiu a eliminação/redução de compostos com efeito antimicrobiano, cuja presença influencia negativamente a bioconversão de ácido ferúlico em vanilina pela Amycolatopsis sp. ATCC 39116. O estudo do processo de adsorção em contínuo em colunas de adsorção, permitiu determinar os parâmetros de dimensionamento do processo. A produção de bio-vanilina pela bactéria Amycolatopsis sp. ATCC 39116 foi estudada utilizando ácido ferúlico sintético como precursor, com o objetivo de maximizar a produtividade da vanilina. Foi também comparada a produção de bio-vanilina utilizando o ácido ferúlico sintético e ácido ferúlico extraído da fibra de milho. Os parâmetros cinéticos foram semelhantes para os dois tipos de acido ferúlico, exceto o rendimento de vanilina que foi inferior a partir de ácido ferúlico extraído da fibra de milho, quando comparado ao ácido ferúlico sintético. Por fim, foi estudada a recuperação de bio-vanilina do caldo de bioconversão por pervaporação e por destilação em vácuo. Em ambos os processos, foi possível recuperar vanilina sem contaminantes indesejáveis. A destilação em vácuo com pulsos consecutivos foi selecionada devido a apresentar maiores fluxos de vanilina: 2.7±0.1 g.m-2h-1 em comparação com 1.19±0.01 g.m-2h-1 na pervaporação, apesar de a destilação em vacum apresentar um maior consumo de energia. Em relação ao estudo económico do processo de produção de bio-vanilina (20 ton/ano) obteve-se um retorno de 0.9 anos.
O trabalho apresentado nesta tese de doutoramento visa desenvolver um processo integrado para a produção de bio-vanilina a partir da fibra de milho, subproduto da indústria do amido, representando uma valorização deste subproduto. A primeira etapa do processo envolveu a recuperação de ácido ferúlico (substrato na produção de bio-vanilina) da fibra de milho. Através de uma extração alcalina da fibra de milho, com condições operacionais suaves, à escala piloto, foi possível obter um rendimento maximizado de 11.14 ± 1.00 kgácido ferúlico. Tonfibra seca -1. Este valor de rendimento foi obtido através da seleção das condições operacionais da extração alcalina: tempo de extração de 7 horas, uma solução aquosa de hidróxido de sódio (0.25 M), uma temperatura de 30º C e uma razão solido-líquido de 10 g solvente.g-1 fibra seca. Alternativamente, foi estudada uma hidrólise enzimática usando preparações enzimáticas comerciais. Contudo, mesmo com a aplicação de um pré-tratamento hidrotérmico, o rendimento de ácido ferúlico foi inferior quando comparado com a extração alcalina. O processo de ultrafiltração utilizando a membrana Nadir® UP150, permitiu a eficaz separação do ácido ferúlico dos arabinoxilanos (compostos de valor acrescentado, com grande viscosidade), presentes no extrato alcalino. A partir de um modelo matemático, envolvendo a metodologia de superfície de resposta (RSM), foi possível determinar que as condições da ultrafiltração (temperatura, velocidade de fluxo cruzado inicial e pressão transmembranar) que levaram a uma maximização da performance da ultrafiltração, com valores minimizados de rejeição de ácido ferúlico, valores maximizados de rejeição de arabinoxilanos e permeabilidades. O processo de adsorção com a resina Macronet® MN102 permitiu a eliminação/redução de compostos com efeito antimicrobiano, cuja presença influencia negativamente a bioconversão de ácido ferúlico em vanilina pela Amycolatopsis sp. ATCC 39116. O estudo do processo de adsorção em contínuo em colunas de adsorção, permitiu determinar os parâmetros de dimensionamento do processo. A produção de bio-vanilina pela bactéria Amycolatopsis sp. ATCC 39116 foi estudada utilizando ácido ferúlico sintético como precursor, com o objetivo de maximizar a produtividade da vanilina. Foi também comparada a produção de bio-vanilina utilizando o ácido ferúlico sintético e ácido ferúlico extraído da fibra de milho. Os parâmetros cinéticos foram semelhantes para os dois tipos de acido ferúlico, exceto o rendimento de vanilina que foi inferior a partir de ácido ferúlico extraído da fibra de milho, quando comparado ao ácido ferúlico sintético. Por fim, foi estudada a recuperação de bio-vanilina do caldo de bioconversão por pervaporação e por destilação em vácuo. Em ambos os processos, foi possível recuperar vanilina sem contaminantes indesejáveis. A destilação em vácuo com pulsos consecutivos foi selecionada devido a apresentar maiores fluxos de vanilina: 2.7±0.1 g.m-2h-1 em comparação com 1.19±0.01 g.m-2h-1 na pervaporação, apesar de a destilação em vacum apresentar um maior consumo de energia. Em relação ao estudo económico do processo de produção de bio-vanilina (20 ton/ano) obteve-se um retorno de 0.9 anos.
Descrição
Palavras-chave
Corn fibre Ferulic acid Amycolatopsis sp. ATCC 39116 Vanillin