BR112017024566B1

BR112017024566B1 - Método para a produção de xilopolissacarídeo modificado

Info

Publication number: BR112017024566B1
Application number: BR112017024566-3A
Authority: BR
Inventors: Satoshi Makishima; Hirofumi Ikeda; Yousuke YAMAKAWA; Yoshihiko Amano; Nobuaki Sato; Tsutomu Arai
Original assignee: B Food Science Co., Ltd.
Priority date: 2015-05-18
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2021-12-07
Also published as: BR112017024566A2; PL3299394T3; CN107614535A; WO2016185801A1; US10858685B2; EP3299394B1; TWI668253B; CN107614535B; EP3299394A1; TW201643207A; JP6218085B2; JP2016216552A; US20180135088A1; ES2770305T3; EP3299394A4

Abstract

método para a produção de xilopolissacarídeo modificado. provê-se um método para a produção industrial em massa de um xilopolissacarídeo modificado a partir de biomassa. a biomassa usada como uma matéria-prima inclui xilano em paredes de células de planta, tendo pelo menos um tipo de substituintes selecionado de grupos acetila, feruloilarabinofuranosila e cumaroilarabinofuranosila nas cadeias laterais de xilano. um mecanismo de controle de passagem está disposto internamente para gerar fluxo do tipo êmbolo sobre uma pasta contendo a biomassa a um teor de sólidos em 10% em massa a 30% em massa. o tratamento hidrotérmico é realizado sob as condições controladas: a uma temperatura de 160°c ou mais, a uma pressão igual a ou superior à pressão de vapor de água saturado à dita temperatura, e com uma severidade de reação ro variando de 3000 a 7000. é obtido um xilopolissacarídeo modificado como preservador dos substituintes nas cadeias laterais de xilano realizando-se um tratamento hidrotérmico contínuo em um reator cilíndrico de fluxo do tipo êmbolo ("plug-flow").

Description

Campo da Invenção

[001] A presente invenção refere-se a um método para a produção de um xilopolissacarídeo modificado.

Técnica Anterior

[002] De acordo com o padrão de ingestão de dieta japonesa de fibras de dieta descrito no Ministério da Saúde, Trabalho e Bem-Estar da edição de 2015, é dito que de preferência adultos do sexo masculino e feminino tomam nas fibras de dieta de 19 g - 20 g ou mais, e de 17 g - 18 g ou mais por dia, respectivamente. No entanto, de acordo com o Relatório de Pesquisa de Saúde Pública e Nutrição da edição de 2012, o fato é que adultos do sexo masculino e feminino tomam nas fibras de dieta de apenas cerca de 13,0 g - 17,1 g, e cerca de 13,2 g - 17,1 g, respectivamente.

[003] Um mercado de polissacarídeos, tais como os indigestos dextrina, polidextrose e glucomanano, que são uma classe de fibras de dieta, tem uma tendência de estar-se expandindo. Esta tendência mostra altos interesses das pessoas nas fibras de dieta, e, portanto, o mercado ultrapassou o mercado de oligossacarídeo em tamanho.

[004] Por outro lado, há movimentos no mercado de oligossacarídeo não só para perseguir um objetivo para o aperfeiçoamento de uma função intestinal simplesmente mostram como um fator de crescimento de bifidobactérias mas também para demandar novas funções para o melhoramento dos sintomas alérgicos e aperfeiçoamento de uma função imune para o oligossacarídeo.

[005] Originalmente, fibras de dieta em muitos casos referem-se a um termo geral de hidrolisados parciais de celulose, hemiceluloses e lignina que constroem paredes de células de planta, além daquelas suas substâncias. No entanto, paredes de células de planta são difíceis de serem degradáveis, que causam dificuldade na extração industrial de fibras de dieta de paredes de células de planta a baixo custo. Esta extração tem um problema técnico o mesmo que a dificuldade no bioetanol de produção industrial a partir de um material celulósico. Portanto, fibras de dieta solúveis em água realmente vendidas no mercado são em muitos casos polissacarídeos indigestos produzidos a partir do amido como uma matéria-prima.

[006] Xilano, que é uma espécie de hemiceluloses que constroem paredes de células de planta, é um polímero tendo β-D-xilopiranose como uma unidade básica. Além disso, uma tecnologia para a produção de xilose e um xilo-oligossacarídeo a partir de xilano já foi posto em uso prático (vide o documento de patente 1). No entanto, devido a uma tendência de nutriente de pessoas modernas, exigida é uma tecnologia para a separação de um polissacarídeo macromolecular tendo uma função de fibras de dieta, ou uma tecnologia para a coleta de um oligossacarídeo funcional tendo cadeias laterais modificadas derivadas de paredes de células de planta.

[007] Um método para a produção de um sacarídeo a partir de biomassa contendo xilano é conhecida desde os tempos antigos, que é realizado por hidrolisação de xilano via o uso de um ácido ou um álcali. Especificamente, xilose (isto é, monossacarídeo) que é uma matéria-prima de xilitol é industrialmente obtida por hidrólise de xilano por ácido sulfúrico. Além disso, é conhecido que um método para a produção de um oligossacarídeo a partir de xilano é realizado por hidrólise enzimática de xilano. Xilo-oligossacarídeos comercialmente disponíveis são em muitos casos produzidos por tal método enzimático. O método enzimático é realizado após um pré-tratamento de adição de uma solução alcalina antecipadamente ou fervura de uma matéria-prima do ponto de vista de diminuição de um tempo de reação.

[008] As tecnologias respectivas como mencionadas acima para a produção de um sacarídeo têm uma variedade de desvantagens. Isto é, embora a hidrólise prossiga por um catalisador de base ácida, uma carga ambiental causada por um ácido e um álcali é relativamente grande e um grupo útil derivado de paredes de células de planta que modifica um xilopolissacarídeo é removido por um ácido e um álcali. Portanto, recentemente atraiu a atenção uma chamada tecnologia de reação hidrotérmica, em que água de alta temperatura e de alta pressão é utilizada para biomassa (vide o Documento de patente 2 e o Documento não patentário 1).

[009] Quando a temperatura e a pressão de água excedem o ponto crítico de 374oC e 23,4 Mpa, a água se torna um fluido homogêneo diferente de um gás ou de um líquido. Tal fluido é chamado água supercrítica e mostra reatividade suficientemente alta para decompor substâncias quase orgânicas. Observe-se que um fluido mantido a uma temperatura e pressão mais baixas do que o ponto crítico é chamado água subcrítica, água de alta temperatura e de alta pressão, ou água quente pressurizada ou semelhantes.

[010] Uma reação de hidrólise de uma cadeia de sacarídeo causada quando um ácido, um álcali e uma enzima são usados processa-se por um catalisador de ácido-base. Aqui, água de alta temperatura e de alta pressão na tecnologia de reação hidrotérmica tem a mesma função. Água provê uma variedade dos campos de reação quando uma sua temperatura e uma sua pressão são mudadas. Este perfil permite que a água de alta temperatura e de alta pressão seja avaliada como um solvente com uma baixa carga ambiental de modo que polissacarídeos que constroem paredes de células de planta são hidrolisados e são tornados solúveis na água de alta temperatura e de alta pressão.

[011] Um reator hidrotérmico experimentalmente gerando água de alta temperatura e de alta pressão é configurado como incluindo um recipiente de pressão de tipo batelada e um controlador de pressão feito de um metal anticorrosivo metal com uma capacidade de várias a várias dezenas de mL. Além disso, um reator hidrotérmico de tipo fluxo contínuo tendo um tipo de tubo de tubo de reação é também investigado. Aqueles reatores hidrotérmicos são verificados em uma escala de bancada.

[012] Em um reator hidrotérmico de tipo fluxo contínuo, um tubo de reação tendo um certo grau de uma capacidade de calor e um comprimento de tubo é submetido a controle de temperatura, e um material de biomassa passa através do mesmo a uma taxa constante. Além disso, aqueles reatores hidrotérmicos têm uma vantagem para permitir que tempo e temperatura de reação acentuados sejam conseguidos via conjunto de condições apropriadas para as etapas de elevação e resfriamento de temperatura (vide o documento de patente 3 e o Documento não patentário 2).

DOCUMENTOS DA TÉCNICA ANTERIOR DOCUMENTO DE PATENTES

[013] Documento de patente 1: Publicação de Pedido de Patente Japonesa No. 2003-48901.

[014] Documento de patente 2: Publicação de Pedido de Patente não examinada Japonesa No. 2010-57509.

DOCUMENTO NÃO PATENTÁRIO

[015] Documento não patentário 1: S. Makishima, M. Mizuno, N. Sato, K. Shinji, M. Suzuki, K. Nozaki, F. Takahashi, T. Kanda e Y. Amano: Development of continuous flow type hydrothermal reactor for hemicellulose fraction recovery from corncob, Bioresource Technology, 100, 2842 (2009).

Sumário da Invenção Problemas para serem resolvidos pela invenção

[016] Um método para a produção de xilose (isto é, monossacarídeo) por decomposição de biomassa contendo xilano em baixas moléculas pode ser conduzido por uso de um método de hidrólise de ácido, por exemplo, por uso de um ácido para conduzir um tratamento por hidrólise. No entanto, o método de hidrólise de ácido tem alta reatividade de modo que hidrólise de xilano prossegue demasiadamente rápido.

[017] Esta reatividade a torna difícil de terminar a reação de hidrólise dentro de um estágio de xilopolissacarídeo tendo um grande peso molecular (isto é, the xilopolissacarídeo inclui um xilo-oligossa- carídeo tendo cerca de 2 - 12 graus de polimerização de monossacarídeo (isto é, grau de polimerização), o mesmo será aplicado aqui em seguida).

[018] Além disso, do ponto de vista da alta taxa de hidrólise e seletividade, é provável que xilano na biomassa é hidrolisado via aplicação de uma enzima (por exemplo, xilanase) capaz de hidrolisar xilano para dar biomassa. No entanto, se biomassa for tratada por um álcali como um pré-tratamento da reação enzimática, este tratamento hidrolisa substituintes tais como um grupo acetila e um grupo arabinofuranosila ou semelhantes derivadas de paredes de células de planta e presentes nas cadeias laterais de xilopolissacarídeo em xilano.

[019] Correspondentemente, em um método para o uso de um álcali combinado com uma enzima, predominantemente produzido é um xilo-homo-oligossacarídeo de baixo peso molecular e não modificado tendo nenhuma cadeia lateral (isto é, grau de polimerização é de 2 - 3). Isto o torna difícil de coletar um xilopolissacarídeo modificado.

[020] Aqui, do ponto de vista de proteção das cadeias laterais modificadas de um xilopolissacarídeo contra um tratamento com álcali, há um método para diretamente fazer xilanase agir sobre a biomassa sem um tratamento com álcali. No entanto, neste caso, a taxa de hidrólise se torna extremamente baixo de modo que the cadeias laterais modificadas inibem a reação, resultando em uma diminuição no rendimento. Portanto, devido ao aumento da taxa de hidrólise, é considerado usar uma grande quantidade de xilanase.

[021] No entanto, uma formulação de xilanase comercialmente disponível. Está contaminada com esterase durante o processo de produção. Assim, uso de uma grande quantidade de xilanase permite a contaminação de uma grande quantidade de esterase no sistema de reação. Esta esterase contaminada remove os substituintes presentes no xilano cadeia lateral de modo que um xilo-homo-oligossacarídeo de baixo peso molecular e não modificado é predominantemente formado similarmente ao método para o uso de um álcali na combinação com uma enzima. Isto o torna difícil de coletar um xilopolissacarídeo modificado.

[022] Quando as desvantagens acima são levadas em consideração, é difícil seletivamente e industrialmente produzir um xilopolissacarídeo modificado com um grande peso molecular por um método enzimático. Além disso, produção de um xilopolissacarídeo modificado de baixo peso molecular exige uma grande quantidade de xilanase purificada a partir da qual esterase é removida, que resulta em um processo industrialmente não prático. Portanto, exigido é um método para a produção de massa industrial de um xilopolissacarídeo modificado.

[023] Aqui, há possibilidade de produção preferencial de um xilopolissacarídeo modificado se uma reação hidrotérmica de biomassa contendo xilano puder ser de preferência controlada. Na reação hidrotérmica, uma molécula de água reage com xilano com um agente nucleofílico. Como um resultado, uma e-1,4-ligação entre xiloses, que são polissacarídeos principalmente que constroem xilano, é de preferência hidrolisado, e, portanto, um xilopolissacarídeo modificado é obtido por proteção de substituintes. Portanto, há possibilidade de produção de massa industrial de um xilopolissacarídeo modificado.

[024] Até agora, na pesquisa usando-se um reator hidrotérmico de tipo batelada, um reator com uma capacidade de várias a várias dezenas de ml foi utilizado. Em uma experiência de aumento de escala para a produção industrial usando-se uma capacidade de carga acima de 1 L, quantidades de tempo mais do que várias dezenas minutos a 1 hora podem ser consumidas até que a temperatura de reação alcance uma temperatura preestabelecida a ser estavelmente mantida, se um material de amostra for submetido às condições de reação, por exemplo, a 200oC e por 10 min. Embora uma capacidade de calor do aquecedor, controle de temperatura e capacidade de agitação dentro do reator sejam aperfeiçoadas, é difícil uniformemente controlar a energia da reação hidrotérmica dentro da carga simplesmente no período de 10 minutos contra as histórias de calor predominante gerado nas etapas de aquecimento e de resfriamento. Histórias de calor excessivo não apenas causam uma remoção de substituintes mas também aumentam as quantidades de xilose de monossacarídeo assim geradas. Isto resulta na produção de furfural que é um produto de degradação excessiva de xilose. Uma vez que furfural fortemente inibe as etapas de reação e purificação enzimáticas realizadas em um estágio tardio, uma reação colateral que gera furfural tem de ser inibida.

[025] Portanto, um reator hidrotérmico de tipo fluxo contínuo dotado com uma tubulação de reação de tipo tubo foi desenvolvido. O reator é principalmente configurado para fazer uma lama de biomassa fluir para dentro da tubulação de reação termo-controlada a uma taxa constante. Portanto, se componentes das unidades de aquecimento e de resfriamento são bem projetadas, isto pode fornecer um mérito de modo que tempo e temperatura de reação extremamente aguda possam ser conseguidos (por exemplo, Publicação de pedido de patente não examinado japonesa No.2008-253861 e "S. Makishima e N. Sato: Production technology of various sacarídeos using hydrothermal reaction, Applied Saccharide Science, 2 (3), pp.174 - 179 (2012)).

[026] No entanto, tal reator de tipo tubo também causa um problema de aumento de escala similarmente ao reator de tipo batelada acima. Por exemplo, como uma área de seção transversal de um tubo com um diâmetro de 2,54 cm (uma polegada) é aumentada para o aperfeiçoamento do desempenho de tratamento do reator de tipo tubo, movimentos de um fluido dentro do reator gradualmente mudam.

[027] Especificamente, como a área de seção transversal do tubo aumenta, a eficácia de condutividade de calor para uma matéria-prima é diminuída. Além disso, tal fenômeno pode ter acontecido como turbulência que ocorre dentro do reator para deixar uma matéria-prima passar através de mais rapidamente do que esperada (isto é, passagem anormal através de), ou como acúmulo é causado via sedimentação que leva a um atraso do fluxo.

[028] Como mencionado acima, um aumento meramente na área de seção transversal do reator de tipo tubo deteriora uma condição do chamado "fluxo do tipo êmbolo"("plug-flow") em que uma matéria- prima assim flui para dentro do reator é sucessivamente descarregada por recebimento de energia de reação uniforme. Além disso, tal fenômeno deteriorado remarcadamente diminui um rendimento do xilopolissacarídeo modificado, que leva à geração de subprodutos.

[029] Para resolver as desvantagens acima, pode ser considerado que uma pluralidade de reatores de tipo tubo estão ligados em paralelo e uma grande bomba está ligada de modo a fazer uma matéria-prima fluir através dos reatores de tipo tubo aquecidos respectivamente. No entanto, apesar de uma quantidade total das distribuições é aumentada, uma taxa de fluxo por reator de tipo tubo flutua devido a uma diferença em uma perda de pressão de cada reator de tipo tubo.

[030] Correspondentemente, isto resulta em uma deflexão das histórias de reação. Portanto, a partir do ponto de vista de evitando a deflexão, o reator de tipo tubo e a bomba grande têm de ser independentemente projetados. No entanto, este projeto exige disposição paralela de várias centenas de reatores de tipo tubo com uma baixa capacidade, resultando na exigência para custos de dispositivos enormes.

[031] Pesquisa de um fluido de alta temperatura e de alta pressão é nada menos do que a aplicação de propriedades fisicoquímicas de um meio como água, e portanto foi investigado em vários campos de engenheiramento químicos tais como engenheiramento de processo, engenheiramento de material e engenheiramento nuclear. Em muitos casos, um reator que gera uma reação hidrotérmica é projetado quase dirigido para uma decomposição hidrolítica completa de compostos orgânicos ou um dispositivo de pré-tratamento de biomassa de fermentação ou biomassa de sacarificação enzimática (por exemplo, Publicação de patente Japonesa No. 4691214).

[032] A presente invenção é feita a partir do ponto de vista de resolver as desvantagens acima. Assim, um objetivo da presente invenção é prover um método capaz de industrialmente produzir massa um xilopolissacarídeo modificado de biomassa.

Meio para Resolver Problemas

[033] Os presentes inventores fizeram investigações sérias para resolver as desvantagens acima mencionadas e daí resultaram as constatações seguintes. A saber, a presente invenção refere-se a um método para a produção de um xilopolissacarídeo modificado que preserva substituintes em uma cadeia lateral de xilano. Uma matéria- prima do método é biomassa contendo xilano em paredes de células de planta para produzir o xilopolissacarídeo modificado. Aqui, xilano tem pelo menos um tipo de substituintes selecionado de um grupo acetila, um grupo feruloil arabinofuranosila e um grupo cumaroil arabinofuranosila, em uma cadeia lateral do mesmo.

[034] Especificamente, a biomassa é submetida a um tratamento hidrotérmico contínuo sob condições controladas: a uma temperatura de reação de 160oC ou mais; a uma pressão de reação de pressão de vapor de água saturada ou mais à dita temperatura de reação; e com um parâmetro de severidade R0 variando de 3000 a 7000 calculado pela equação (1) apresentada a seguir. O tratamento hidrotérmico contínuo é conduzido por um reator cilíndrico de fluxo do tipo êmbolo ("fluxo do tipo êmbolo") dotado com um mecanismo de controle de passagem dentro do reator. O mecanismo de controle de passagem gera um fluxo do tipo êmbolo sobre a lama ou lama que inclui a biomassa em um teor de sólidos na razão de 10 % em massa a 30 % em massa.

onde T(t) representa uma variação de tempo na temperatura (oC); Tr representa uma temperatura padrão (100oC); t representa um tempo (min); w representa uma constante (= 14,75).

[035] De acordo com o método acima, a geração de xilose e um seu produto de degradação excessivo furfural podem ser suprimidos, e um xilopolissacarídeo modificado que preserva uma estrutura de cadeia lateral derivada de paredes de células de planta pode ser produzido.

[036] Além disso, o mecanismo de controle de passagem é de preferência configurado para incluir um rotor colunar que é rotativo em torno de um eixo central disposto na direção paralelo a um fluxo da lama.

[037] O mecanismo de controle de passagem inclui ainda uma pluralidade de lâminas de controle de passagem consistindo em um membro de lâmina disposto em uma superfície lateral do rotor, dirigido para o lado de fora do rotor e estendido na direção do fluxo de lama.

[038] O mecanismo de controle de passagem supramencionado pode gerar suficiente fluxo do tipo êmbolo dentro do reator, e suprimir reações colaterais devido à constante manutenção do parâmetro de severidade que afeta uma matéria prima, pelo que pode ser produzido um xilopolissacarídeo modificado sem uma redução no rendimento apesar de um aumento na escala de produção.

[039] Além disso, de preferência uma distância entre a lâmina que controla a passagem voltada para a parede interna do reator de fluxo do tipo êmbolo e a dita parede interna pode ser ajustada para 5 mm ou menos.

[040] A distância pode prevenir a sedimentação e a retenção da lama, e a ocorrência de passagem anormal da mesma.

[041] Além disso, de preferência o rotor pode girar de modo que uma velocidade circunferencial do membro de lâmina era 0,02 m/seg a 0,3 m/seg.

[042] Essa faixa da velocidade pode alongar uma trajetória de migração da lama, permitindo a prevenção da passagem anormal e a sedimentação da lama bem como a excessiva retenção da mesma. Além disso, a eficiência condutora térmica pode também ser melhorada. Como um resultado disso, o reator de fluxo do tipo êmbolo pode ser projetado em um tamanho compacto.

[043] Além do mais, de preferência um furo de passagem ("through hole") pode ser formado no membro de lâmina de modo que a lama pode passar através do mesmo em uma direção circunferencial do rotor.

[044] Essa estrutura pode gerar passagens suaves e complicadas dentro do reator, possibilitando que o fluxo do tipo êmbolo seja realizado sem perturbar um fluxo da lama, levando a mais aumento no rendimento.

[045] Além disso, de preferência instala-se um raspador que é rotativo em torno de uma parte periférica do membro de lâmina como um centro de rotação, e o raspador contacta uma parede interna do reator de fluxo do tipo êmbolo enquanto o rotor está girando.

[046] A estrutura pode evitar a retenção da lama e a adesão de materiais externos (isto é, queima) perto da parede interna dentro do reator. Assim, um fluxo do tipo êmbolo altamente preciso pode ser realizado sem ser afetado por uma propriedade da lama matéria-prima e uma escama ("scale") do dispositivo.

[047] Além do mais, pelo menos ou beta-xilosidase ou xilanase purificada é feita para reagir um xilopolissacarídeo modificado solubilizado no reator de fluxo do tipo êmbolo. Esta reação pode preservar um substituinte em uma cadeia lateral do xilopolissacarídeo modificado, permitindo que xilo-oligossacarídeos modificados sejam usados.

[048] Como mencionado acima, por exemplo, xilo-oligossacarí- deos altamente acetilados (por exemplo, mono-, di-, tri-, tetra- ou penta-acetil-xilo-oligossacarídeo) e xilose de monossacarídeo podem ser coletados em um tempo de reação curto, embora deixando que um grupo acetila derivado de paredes de células de planta seja preservado em uma cadeia lateral. Adicionalmente, por exemplo, xilo- oligossacarídeos altamente acetilados (por exemplo, mono-, di-, tri-, tetra-, ou penta-acetil-xilo-oligossacarídeo), feruloil-alfa-L-arabinofura- nosil-xilo-oligossacarídeo (FA-XOS) e p-coumaroil-alfa-L-arabinofura- nosil-xilo-oligossacarídeo (CA-XOS) podem ser coletados. Além daqueles oligossacarídeos, xilo-oligossacarídeos modificados tendo os substituintes descritos acima tais como mono-, di- ou tri-acetil-FA-XOS e mono-, di- ou tri-acetil-CA-XOS podem ser ulteriormente coletados. Efeitos da Invenção

[049] De acordo com a presente invenção, pode ser provido um método para a produção de massa industrial de um xilopolissacarídeo modificado a partir de biomassa.

Breve Descrição dos Desenhos

[050] A Figura 1 é um diagrama de sistema que mostra um sistema de reação da presente modalidade .

[051] A Figura 2 é um diagrama de blocos que mostra os dispositivos respectivos para a produção de um xilopolissacarídeo modificado a partir de um material triturado de biomassa no sistema de reação da presente modalidade .

[052] As Figuras 3A e 3B são diagramas que mostram estruturas internas do reator dispostas no sistema de reação da presente modalidade . A Figura 3A é um diagrama de seção transversal quando visto na direção vertical para o fluxo da lama. A Figura 3B é uma vista da seção transversal tomada ao longo da linha A-A da Figura 3A.

[053] As Figuras 4A e 4B são diagramas que mostram estruturas internas do reator dispostas no sistema de reação da presente modalidade . Elas são modificações mostradas nas Figuras 3A e 3B. A Figura 4A é um diagrama de seção transversal quando visto na direção vertical a um fluxo de lama. A Figura 4B é uma visão da seção transversal tomada ao longo da linha B-B da Figura 4A.

[054] A Figura 5 é um diagrama gráfico que mostra curvas de rendimento dos produtos representados graficamente contra um parâmetro de severidade quando um material de espiga de milho é submetido a uma reação hidrotérmica exata por um reator de tipo batelada de baixa capacidade que pode precisamente controlar as condições de reação.

[055] A Figura 6 é um diagrama gráfico que mostra a comparação de rendimentos quando um material de espiga de milho é submetido a uma reação hidrotérmica pelo reator da presente modalidade para fornecer curvas exatamente obtidas pelo reator de tipo batelada.

[056] A Figura 7 mostra resultados analíticos de MALDI-TOF MS das relações entre um grau de polimerização e o número do grupo acetila do xilopolissacarídeo modificado produzido pelo reator da presente modalidade .

[057] Figura 8 mostra resultados analíticos de MALDI-TOF MS da relação entre um grau de polimerização e o número do grupo acetila do xilopolissacarídeo modificado produzido por ter ação de beta- xilosidase (GH43) sobre o xilopolissacarídeo modificado produzido pelo reator da presente modalidade .

[058] A Figura 9 mostra resultados analíticos de MALDI-TOF MS das relações entre um grau de polimerização e o número do grupo acetila do xilopolissacarídeo modificado produzido por ter ação de endo-beta-1,4-xilanase (GH10) sobre o xilopolissacarídeo modificado produzido pelo reator da presente modalidade .

[059] A Figura 10 mostra resultados analíticos de MALDI-TOF MS das relações entre um grau de polimerização e o número do grupo acetila do xilopolissacarídeo modificado produzido por ter ação de endo-beta-1,4-xilanase (GH11) sobre o xilopolissacarídeo modificado.

Modalidades para Realização da Invenção

[060] Aqui em seguida, aspectos (ou modalidades) para a realização da presente invenção serão descritos em detalhes aproximadamente com referências aos desenhos anexos. Observar, um "xilopolissacarídeo modificado"é um polissacarídeo constituído de xiloses ligadas a glicosídeo (isto é, xilopolissacarídeo). O xilopolissacarídeo modificado representa um polissacarídeo em que substituintes (por exemplo, grupo acetila) estão presentes nas suas cadeias laterais.

[061] Além disso, na presente modalidade,fluxo do tipo êmbolo é um fluxo extrudado de modo que a lama é feito para fluir na mesma distribuição de velocidade dentro de um reator 12. Especificamente, em um reator de fluxo do tipo êmbolo, subcamadas da seguinte lama são evitadas que sejam misturadas, e passagem e retenção anormais da lama são evitadas, deixando que a lama flua em uma velocidade constante.

[062] Portanto, a lama forneceu como alimento ao reator 12 é sucessivamente extrudada sem permanecer dentro do reator 12, desse modo sendo descarregado do reator 12. Esta característica permite que a totalidade da lama seja uniformemente aquecida no reator 12 sem exceção, e uma reação hidrotérmica a ser realizada sob condições uniformes, desse modo produzindo um xilopolissacarídeo modificado.

[063] Aqui, o termo de "fluxo do tipo êmbolo"na presente modalidade significa que o fluxo de tipo êmbolo (isto é, condição de fluxo de tipo êmbolo, estado de fluxo de tipo êmbolo) é gerado inteiramente dentro do reator 12. Aqui, turbulência e retenção parciais do fluxo de lama podem ser geradas contanto que tais turbulência e retenção parciais não significativamente deterioram uma curva de rendimento do xilopolissacarídeo modificado. Portanto, evidentemente, o "fluxo do tipo êmbolo"na presente modalidade pode ser um "fluxo de tipo êmbolo" teórico e ideal que não gera nenhuma turbulência e retenção do fluxo de lama, mas não é limitado "fluxo de tipo êmbolo" teórico e ideal.

Estrutura de Equipamento do Sistema de Reação 100

[064] A Figura 1 é um diagrama de sistema que mostra um sistema de reação 100 na presente modalidade . Além disso, a Figura 2 é um diagrama de blocos que mostram os dispositivos respectivos para a obtenção de um xilopolissacarídeo modificado a partir de um material triturado de biomassa no sistema de reação 100 da presente modalidade. Os numerais de referência mostrados na Figura 2 são idênticos àqueles na Figura 1.

[065] No sistema de reação 100, um xilopolissacarídeo modificado que preserva substituintes pode ser obtido como um produto de hidrólise de xilano a partir de uma matéria-prima de biomassa contendo xilano nas paredes de células de planta. Aqui, xilano tem pelo menos um tipo de substituintes selecionado de um grupo acetila, um grupo feruloil arabinofuranosila e um grupo cumaroil arabinofuranosila na sua cadeia lateral. O xilopolissacarídeo modificado é produzido no reator 12. Correspondentemente, o xilopolissacarídeo modificado pode ser produzido particularmente pelo reator 12 embora evitando geração de xilose e o produto de decomposição excessiva de xilose: furfural.

[066] Biomassa usada no sistema de reação 100 é, por exemplo, derivada de plantas tal como espiga de milho que está disponível como um subproduto agrícola em quantidades relativamente grandes, e contém xilano nas suas paredes de células de planta. Quantidades de xilano maiores estão também contidas nas paredes de células de planta dos resíduos de processamento de alimento de produtos agrícola tais como bagaço de cana de açúcar e espiga de milho, e biomassa mole tais como sorgo e erianthus. Além disso, grandes quantidades de xilano estão contidas nas paredes de células de plantas com base em madeira de umas árvores de folha ampla e uma polpa de madeira.

[067] O sistema de reação 100 inclui uma unidade de alimentação de material 1, um reator 2 e uma unidade de descarregamento de material 3. A unidade de alimentação de material 1 fornece um material triturado de biomassa ao reator 2, em que um material triturado de biomassa deve ser usado como uma matéria- prima de um xilopolissacarídeo modificado. O reator 2 produz o xilopolissacarídeo modificado a partir da lama contendo um material triturado de biomassa assim alimentou à unidade de alimentação de material 1. A unidade de descarregamento de material 3 descarrega o xilopolissacarídeo assim produzido.

[068] Aqui em seguida, estruturas dos dispositivos respectivos serão descritas em detalhes seguindo um fluxo de processamento dos materiais partindo a partir de um material triturado de biomassa alimentado à unidade de alimentação de material 1 à produção do xilopolissacarídeo modificado descarregado a partir da unidade de descarregamento de material 3.

[069] A unidade de alimentação de material 1 é configurada como incluindo um dispositivo de misturação de material 5 e um tanque de alimentação de material 8. Em primeiro lugar, um material triturado de biomassa é fornecido ao dispositivo de misturação de material 5. Um tamanho de um material triturado de biomassa fornecido como alimento à unidade de alimentação de material 1 é de preferência 5 μm ou mais como um diâmetro médio de partícula, mais de preferência 20 μm ou mais, com mais preferência 30 μm ou mais. Um seu limite superior é de preferência 1000 μm ou menos, mais de preferência 60 μm ou menos, com mais preferência 40 μm ou menos.

[070] O diâmetro médio de partícula é medido por um dispositivo de medição de diâmetro de partícula de tipo dispersão de luz de laser (Nikkiso Co., Ltd.: MT3300). No dispositivo de misturação de material 5, um material triturado de biomassa é misturado com água de resfriamento de temperatura média (cerca de 100oC ou menos) de um resfriador 14 a ser descrito posteriormente, desse modo para formar uma lama fluida. Fornecimento de água de resfriamento de temperatura média do resfriador 14 é controlado pela operação de abertura/fechamento de uma válvula 143. Então, a lama assim formada introduzida para dentro do tanque de alimentação de material 8.

[071] O tanque de alimentação de material 8 é dotado com um termoestato e lâminas de agitação usadas para a prevenção de sedimentação. Devido àquelas partes, a lama é armazenada no tanque de alimentação de material 8 sob agitação embora aproximadamente mantendo uma sua temperatura. Observar, as lâminas de agitação são controladas por um motor controlado por inversão 8a. Como descrito mais tarde água de resfriamento de temperatura média (cerca de 100oC) alimentada de um resfriador 14 é fornecida para dentro do tanque de alimentação de material 8, embora detalhes dos quais serão descritos mais tarde.

[072] Os materiais armazenados no tanque de alimentação de material 8 são fornecidos ao reator 2 depois que uma sua taxa de fluxo é controlada por um par de bombas: uma bomba reforçadora 9A usada para a extrusão do material e uma bomba reforçadora de pressão 9B. A bomba reforçadora 9A é dirigida por um motor controlado por inversão 9Aa. Além disso, a bomba reforçadora de pressão 9B é dirigida por um motor controlado por inversão 9Ba.

[073] Aqui, uma parte dos materiais armazenados no tanque de alimentação de material 8 é descarregada do lado de fora por abertura/fechamento de uma válvula 7. Além disso, além do material armazenado no tanque de alimentação de material 8, água de resfriamento de alta temperatura (cerca de 120oC - 180oC) alimentada de um resfriador 13 como descrito mais tarde é fornecida no reator 2, embora detalhas dos quais fossem descritos mais tardes.

[074] O reator 2 é configurado como incluindo um tubo ascendente de calor de tipo tubular 10 que eleva a temperatura da lama, um reator cilíndrico 12 que produz um xilopolissacarídeo modificado a partir de xilano (isto é, tendo um substituinte nas cadeias moleculares) na lama, um aquecedor 17 que aquece o interior do tubo ascendente de calor 10 e o reator 12, e resfriadores de 3 estágios (isto é, resfriador primário 13, resfriador secundário 14 e resfriador terciário 15). Quando a lama é fornecida ao tubo ascendente de calor 10, a lama misturada com água de resfriamento de alta temperatura (cerca de 120oC - 180oC) fluindo a partir do reator 12 descrito mais tarde é fornecida ao tubo ascendente de calor 10. Esta construção aperfeiçoa a eficácia térmica do sistema de reação 100.

[075] Aqui, um valor calorífico pelo aquecedor 17 e a quantidade de alimentação da água de resfriamento de alta temperatura são controlados por "feedback" com base em temperaturas medidas por sensores de temperatura (não mostrados) dispostos na tubulação ascendente de calor 10 e o reator 12.

[076] Na tubulação ascendente de calor 10 e o reator 12, uma reação hidrotérmica é conduzida embora gerando fluxo do tipo êmbolo da lama sucessivamente passando através do seu interior. Os detalhes serão descritos mais tarde com referência à Figura 2. Além disso, a tubulação ascendente de calor 10 e o reator 12 têm a mesma estrutura. Aqui, a estrutura será explicada como exemplificação do reator 12. Dentro do reator, é mostrado um eixo 19 (vide as Figuras 3A e B; não mostrado nas Figuras 1 e 2). O eixo 19 está ligado a um motor controlado por inversão 12b. Observe-se que, na presente modalidade,a tubulação ascendente de calor 10 e o reator 12 são independentemente dispostos. No entanto, a disposição da tubulação ascendente de calor 10 pode ser omitida por fazer o reator 12 assumir a função da tubulação ascendente de calor 10.

[077] Além disso, um membro do disco em forma de disco 12a usado para o selamento dentro do reator 12 está ligado a uma extremidade do reator 12. O eixo 19 ligado ao motor 12b está disposto quase no centro do membro do disco 12 de modo que o eixo 19 passa através do interior ou exterior do reator 12. No membro do disco 12, uma unidade de pressão de óleo 21 protege o desempenho de selamento de um selo de eixo 12c disposto em uma porção deslizante do eixo 19 que passa através de o reator 12. Observar,água de resfriamento é fornecida como alimento à unidade de pressão de óleo 21 de modo que o resfriamento do calor gerado pela operação hidráulica. Circulação da água de resfriamento é controlada por abertura/fechamento das válvulas 210 e 211. As estruturas internas da tubulação ascendente de calor 10 e o reator 12 serão descritos mais tarde com referência à Figura 2 e assim por diante.

[078] A lama é rapidamente aquecida até cerca de 200oC que tem uma temperatura pré-ajustada da reação hidrotérmica na tubulação ascendente de calor 10. Então, a lama assim aquecida é fornecida como alimento ao reator 12, de modo que uma reação de formação (isto é, reação hidrotérmica sob a condição de fluxo do tipo êmbolo) de um xilopolissacarídeo modificado é realizada por um tempo predeterminado no reator 12.

[079] A lama tratada na tubulação ascendente de calor 10 e o reator 12 circula através do resfriador primário 13, o resfriador secundário 14 e o resfriador terciário 15 nesta ordem, desse modo senso resfriado para cerca de 40oC ou menos. Observar, nas seguintes descrições, "um resfriador primário 13"é simplesmente chamado de "um resfriador 13, "um resfriador secundário 14"é simplesmente chamado de "um resfriador 14, e "um resfriador terciário 15"é simplesmente chamado de "um resfriador 15, para a simplificação das descrições.

[080] A lama assim resfriada para cerca de 40oC ou menos nos resfriadores 13, 14 e 15 é fornecida à unidade de descarregamento de material 3. Observar, uma parte da lama resfriada é descarregada do lado de fora através de uma válvula 161, e o resto é fornecido à unidade de descarregamento de material 3.

[081] Todos aqueles resfriadores 13, 14 e 15 são trocadores de calor por uma tubulação dupla (não mostrada). Água de resfriamento é fornecida aos resfriadores 13, 14 e 15 de rotas independentes de modo que água de resfriamento é circulada através dos resfriadores respectivamente. Mais especificamente, água de resfriamento da qual circulação é controlada por uma válvula 130 é fornecida ao resfriador 13. Água de resfriamento da qual circulação é controlada por uma válvula 140 é fornecida ao resfriador 14. Além disso, água de resfriamento da qual circulação é controlada por uma válvula 150 é fornecida ao resfriador 15.

[082] Além disso, troca de calor com a lama resulta na produção de água aquecida diferente (isto é, usava água de resfriamento), e diferentes espécies de água de resfriamento tendo diferentes temperaturas são descarregadas a partir dos resfriadores de três estágios 13, 14 e 15 respectivamente. Assim, a lama fornecida ao resfriado superior 13 tem uma alta temperatura. Desse modo, usava água de resfriamento descarregada do resfriador 13 (isto é, água de resfriamento de alta temperatura) tem a temperatura mais alta. Correspondentemente, como mencionado acima, a água de resfriamento de alta temperatura é fornecida à lama que deve ser fornecida à tubulação ascendente de calor 10.

[083] Naquele tempo, a água de resfriamento de alta temperatura é fornecida pela proximidade de uma válvula 132. Em contraste com isso, quando a água de resfriamento de alta temperatura não é fornecida à lama, a água de resfriamento de alta temperatura é descarregada do lado de fora por abertura da válvula 132.

[084] Além do mais, água de resfriamento usada descarregada a partir do resfriador de meio estágio 14 (isto é, água de resfriamento de temperatura média) é fornecida ao dispositivo de misturação de material 5 e o tanque de alimentação de material 8 como mencionado aqui mais acima.

[085] Naquele momento, quando a água de resfriamento de temperatura média é fornecida ao dispositivo de misturação de material 5 e o tanque de alimentação de material 8, a água de resfriamento é fornecida por abertura de uma válvula 141 sob a condição de que uma válvula 142 é fechada.

[086] Em contraste com isso, quando a água de resfriamento de temperatura média não é fornecida ao dispositivo de misturação de material 5 e o dispositivo de alimentação de material 8, a água de resfriamento de temperatura média é descarregada do lado de fora por abertura da válvula 142 sob a condição de que a válvula 141 é fechada.

[087] Além do mais, água de resfriamento usada descarregada a partir do resfriador de estágio posterior 15 (isto é, água de resfriamento de baixa temperatura) é descarregada do lado de fora por abertura de uma válvula 151.

[088] Aqui, a água de resfriamento de alta temperatura e água de resfriamento de baixa temperatura são fornecidas dos resfriadores 13, 14 e 15 de modo que uma concentração de teor de sólido da lama que deve ser fornecida ao reator 12 está na faixa de 10 % em massa a 30 % em massa.

[089] A unidade de descarregamento de material 3 é configurada como incluindo tanques de descompressão paralelos 22a e 22b, e a tanque de descarregamento de material 23 e assim por diante. Os tanques de descompressão 22a e 22b são usados para a liberação de uma pressão da lama (isto é, lama pressurizada) descarregados a partir do reator 2, e descarregamento da lama para dentro de um ambiente sob pressão atmosférica. Os tanques de descompressão 22a e 22b estão ligados com válvulas de troca de material 24a, 24b, 27a e 27b; válvulas de ar comprimido 25a e 25b; válvulas de ventilação 26a, 26b; uma válvula de selamento por pressão 27; e uma válvula de descarregamento de material 29, respectivamente.

[090] Quando aqueles componentes são controlados juntos, a lama é armazenada nos tanques de descompressão 22a e 22b embora mantendo pressão de ar dentro do reator 12 por ar comprimido.

[091] Mais especificamente, a operação é controlada de modo que a lama oriunda do reator 2 é alimentada através da válvula de troca de material 24a ao tanque de descompressão 22a, e a pressão de ar do tanque de descompressão 22a se torna igual à pressão do reator 12 pela válvula de ventilação 26. Naquele momento, todas as outras válvulas na unidade de descarregamento de material 3 são fechadas.

[092] Sob as condições acima, quando o tanque de descompressão 22a é enchido com a lama, a válvula de troca de material 24a é feita para ser fechada e a válvula de troca de material 24b e a válvula de ventilação 26b são feitas para serem abertas. A lama oriunda do reator 2 é alimentada através da válvula de troca de material 24b ao tanque de descompressão 22b. A operação é controlada de modo que a pressão de ar do tanque de descompressão 22b se torna igual à pressão do reator 12 pela válvula de ventilação 26b.

[093] Por outro lado, o tanque de descompressão 22a enchido com a lama é controlado para descarregar a lama do lado de fora. Mais especificamente, em primeiro lugar, a válvula de ventilação 26a ligada ao tanque de descompressão 22a é gradualmente aberta, pelo que gás dentro do tanque de descompressão 22a é descarregado do lado de fora. Como um resultado disso, a pressão dentro do tanque de descompressão 22a é diminuída para um nível de pressão em que a lama pode ser descarregada. Então, quando a pressão dentro do tanque de descompressão 22a é diminuída, a válvula de descarregamento 27a e uma válvula de ajuste de taxa de fluxo 28 são feitas para serem abertas. A lama dentro do tanque 22a é fornecida como alimento ao tanque de descarregamento de material 23. Como um resultado disso, a lama assim fornecido como alimento ao tanque de descarregamento de material 23 é armazenada no tanque de descarregamento de material 23.

[094] Quando a totalidade da lama dentro do tanque de descompressão 22a é fornecida como alimento ao tanque de descarregamento de material 23, a válvula de ajuste de taxa de fluxo 28 e a válvula de descarregamento de material 27a são feitas para serem fechadas, e a válvula de ar comprimido 25a é feita para ser aberta desse modo para alimentar ar comprimido dentro do tanque de descompressão 22a. Então, quando a pressão dentro do tanque de descompressão 22a e a pressão dentro do reator 12 se torna igual, a válvula de ar comprimido 25a é feita para ser fechada para entrar um estado de espera.

[095] A seguir, a lama dentro do tanque de descompressão 22b e fornecida como alimento ao tanque de descarregamento de material 23 similarmente ao tanque de descompressão 22a. Como mencionado acima, as etapas de descarregamento da lama a partir do tanque de descarregamento de descompressão 22a e descarregamento da lama a partir do tanque de descarregamento de descompressão 22b são realizadas alternadamente, de modo que a totalidade da lama é fornecida ao tanque de descarregamento de material 23 embora mantendo a pressão interna do reator 12. Correspondentemente, a lama incluindo um xilopolissacarídeo modificado é descarregada a partir do tanque de descarregamento de material 23 por abertura da válvula de descarregamento de material 29.

[096] Como mencionado acima, a pressão interna do reator 12 é mantida que permite que a reação hidrotérmica seja mais certamente realizada no reator 12, desse modo para fornecer um xilopolissacarídeo modificado. Além disso, a unidade de descarregamento de material 3 pode ser uma unidade de tipo fluxo, além do reator de tipo fluxo 12. Isto pode fazer todo o sistema de reação 100 ser um sistema de tipo fluxo completo.

Estrutura do Reator 12

[097] As Figuras 3A e 3B são diagramas que mostram a estrutura interna do reator 12 disposta no sistema de reação da presente modalidade . A Figura 3A é um diagrama de seção transversal quando visto na direção vertical para a direção de fluxo da lama. A Figura 3B é uma visão da seção transversal tomada ao longo da linha A-A da Figura 3A. Observar, o reator 12 mostrado nas Figuras 3A e 3B é meramente um exemplo de um dispositivo usável para a operação de um sistema de coleta 100 da presente modalidade . Assim, contanto que o reator seja um reator cilíndrico de fluxo do tipo êmbolo ("fluxo do tipo êmbolo") incluindo um mecanismo de controle de passagem que gera fluxo do tipo êmbolo dentro do reator, quaisquer reatores podem ser utilizados para os mesmos. Observar, como mencionado acima, uma vez que a estrutura interna da tubulação ascendente de calor 10 é a mesma que nas Figuras 3A e 3B, nas seguintes descrições, a estrutura do reator interna 12 será apenas explicada como omitindo as explicações em duplicata.

[098] Como mostrado nas Figuras 3A e 3B, o reator 12 é configurado como incluindo uma tubulação oca (ou cilindro) 11; um eixo da coluna 19 disposto dentro da tubulação 11 e rotação em um pivô central paralelo à direção do fluxo de lama; e lâminas de controle de passagem dispostas na superfície externa do eixo 19. Além disso, o eixo 19 está ligado a um motor 12b como mencionado mais acima. Esta construção permite rotação do eixo 19 e as lâminas de controle de passagem 16 associadas ao movimento do motor 12b. A direção da rotação é mostrada como uma seta C na Figura 3B. No entanto, a direção pode ser aquela reversa.

[099] Além disso, a extremidade da tubulação 11 (isto é, extremidade do lado esquerdo do desenho) é liberável. No entanto, quando o reator 12 é aberto, o interior da tubulação é selado pelo membro do disco 12a como mencionado antes. O membro do disco 12a é fixado a uma parte da borda da tubulação 11 por uso de parafusos 12d e porcas de parafuso 12e. Um anel O é disposto entre o membro do disco 12a e a parte da borda. Além disso, um selo de eixo 12c é disposto do lado de fora do membro do disco 12 para selar o membro do disco 12a e o eixo 19.

[0100] A lâmina de controle de passagem 16 é configurada para controlar uma passagem da lama (ou escoamento da lama) dentro do reator 12. Na presente modalidade,a lama é uniformemente aquecida pela rotação do eixo 19 tendo as lâminas de controle de passagem 16. Portanto, aquelas partes (ou mecanismo de controle de passagem como descrito acima) podem ser chamadas "meio de aquecimento uniforme". A pluralidade de lâminas de controle de passagem 16 são dispostas em uma superfície circunferencial do eixo 19. No reator 12, especialmente a pluralidade de lâminas de controle de passagem 16 são dispostas estendendo-se para quatro direções com intervalos de 90o na vista de seção transversal mostradas na Figura 3B.

[0101] Esta construção permite geração do fluxo do tipo êmbolo suficiente dentro do reator 12. Além disso, reações colaterais são evitadas porque o parâmetro de severidade que afeta a matéria-prima é constantemente mantida, pelo que um xilopolissacarídeo modificado pode ser obtido sem uma diminuição no rendimento apesar de um aumento na escala de produção.

[0102] A lâmina de controle de passagem 16 é formada pelo membro de placa 16a dirigido para fora do eixo 19 e estendendo-se na direção paralela para um fluxo de lama. O membro de placa 16a pode ter uma espessura, por exemplo, na faixa de 3 mm a 15 mm. Além disso, a lâmina que controla a passagem 16 (isto é, membro de placa 16a) disposta em uma superfície lateral do eixo 19 pode ter uma largura (isto é, comprimento na direção do fluxo de lama), por exemplo, na faixa de 50 mm a 150 mm.

[0103] O reator 12 tem as seguintes dimensões. A tubulação 11 pode ter um diâmetro interno, por exemplo, na faixa de 50 mm a 300 mm. Além disso, o reator 12 pode ter um comprimento (isto é, comprimento na seguinte direção), por exemplo, variando de 500 mm a 3000 mm. Além do mais, o eixo 19 disposto dentro do reator 12 pode ter um diâmetro, por exemplo, variando de 30 mm a 200 mm.

[0104] Convencionalmente, um reator tendo as dimensões descritas acima pode tratar a lama apenas na taxa de cerca de 400 L/dia se as condições de circulação da lama forem as mesmas. Ao contrário disso, o reator 12 da presente modalidade pode tratar a lama na taxa de cerca de 40000 L/dia (isto é, 28 L/min) em uma grande instalação. Além disso, quando a lama é tratada na taxa de cerca de 40000 L/dia, por exemplo, um xilopolissacarídeo modificado é produzido na taxa de cerca de 1800 kg/dia (Observar: convencionalmente cerca de 18 kg/dia).

[0105] Além disso, no membro de lâmina 16a, uma parte oca 16b (isto é, um furo de passagem) é formada de modo que a lama pode passar através do mesmo da direção circunferencial do eixo 19. A formação da parte oca 16b permite a formação de passagens suaves e complicadas dentro do reator 12, permitindo a geração de fluxo do tipo êmbolo sem perturbar o fluxo da lama, resultando em um aumento maior no rendimento.

[0106] Uma forma e um tamanho da parte oca 16b formada no membro de lâmina 16a não são especificamente limitados. No entanto, quando a parte oca 16b tem uma forma retangular, um comprimento (isto é, comprimento na direção de escoamento da lama) da parte oca 16b pode estar, por exemplo, na faixa de 20 mm a 130 mm. Além disso, uma altura (isto é, comprimento dirigido para fora do eixo 19) da parte oca 16b pode estar, por exemplo, na faixa de 30 mm a 200 mm.

[0107] Com referência a um tamanho da lâmina que controla a passagem 16, a distância d (vide a Figura 3A) entre uma parede interna da tubulação 11 e uma parte periférica 16c da lâmina que controla a passagem 16 é de 5 mm ou menos na presente modalidade . Esta construção previne sedimentação e retenção da lama, que permite geração de fluxo do tipo êmbolo mais excelente.

[0108] Na presente modalidade,a reação dentro do reator 12 é controlada por um índice do parâmetro de severidade a fim de gerar fluxo do tipo êmbolo dentro do reator 12. Mais especificamente, a temperatura e o tempo de reação são controlados de modo que o parâmetro de severidade R0 chega na faixa de 3000 a 7000. Aqui, o parâmetro de severidade R0 é calculado pela seguinte equação (1) sob as condições: a uma temperatura de 160oC ou mais, a uma pressão igual a ou mais alta do que uma pressão de vapor saturada à dita temperatura.

onde T(t) representa uma variação de tempo da temperatura(oC); Tr representa uma temperatura padrão (100oC), t representa um tempo(min), e w representa uma constante (=14,75).

[0109] Quando a pressão é ajustada para a pressão de vapor saturada ou mais alta e a temperatura é ajustada para 160oC ou mais, uma reação hidrotérmica é gerada dentro do reator 12. Aqui, o parâmetro de severidade é um parâmetro obtido por conversão dos dados de história do calor e do tempo, que impuseram a lama sob a condição de reação hidrotérmica de 100oC ou mais, em um valor de energia. Portanto, controle da reação pelo parâmetro de severidade R0 permite a geração da reação hidrotérmica sob as condições de reação precisas de modo a se obter um xilopolissacarídeo modificado.

[0110] Uma taxa de rotação do eixo 19 disposto dentro do reator 12 é ajustada tal que a velocidade circunferencial da periferia 16c da lâmina que controla a passagem 16 está na faixa de 0,02 m/seg a 0,3 m/seg. Conjunto da taxa de rotação da periferia 16c a 0,02 m/seg ou mais pode evitar a sedimentação e a retenção de um teor de sólido da lama, e suficientemente suprimir as reações colaterais.

[0111] Alternativamente, conjunto da taxa de rotação da periferia 16c a 0,03 m/seg ou menos permite o estado de fluxo do tipo a ser suficientemente mantido, e previne uma sob reação causada por uma passagem anormal e uma reação excessiva devido à retenção da lama. Isto resulta em um rendimento suficientemente alto. Além do mais, conjunto da taxa de rotação do eixo 19 na faixa acima pode alongar uma trajetória de migração da lama. Este alongamento pode evitar que uma passagem e sedimentação anormais da lama bem como retenção excessiva. Além disso, o resultado no aumento da área de condução de calor pode aperfeiçoar a eficácia da condução de calor, permitindo um projeto compacto do reator 12.

[0112] As Figuras 4A e 4B são diagramas que mostram a estrutura interna de um reator 12A disposta no sistema de reação 100 de uma presente modalidade . O reator 12A é uma modificação do reator mostrado nas Figuras 3A e 3B. A Figura 4A é um diagrama de seção transversal quando visto na direção vertical para um fluxo da lama. A Figura 4B é uma visão da seção transversal tomada ao longo da linha B-B da Figura 4A. O reator 12A mostrado na Figura 4A inclui um suporte 18, um membro de raspagem 20a e um membro de pressão 20b.

[0113] O suporte 18 é uma parte de um membro de placa 16a para suportar o membro de raspagem 20. O membro de raspagem 20a é ligado de forma rotativa aos suportes 18 que são dispostos nas periferias do membro de lâminas 16a (isto é, entre o par de suportes 18) por parafusos 20c. O membro de pressão 20b evita que o membro de raspagem 20a caia no eixo 19 via gravitação. Observar, o membro de pressão 20 forma uma parte do membro de lâmina 16a. Além disso, uma parte oca 16b é formada entre o membro de pressão 20b e o eixo 19.

[0114] No reator 12A, o membro de raspagem 20a é dirigido como o eixo 19 é girado. Isto é, como mostrado na Figura 4B, o membro de raspagem 20A localizado abaixo do eixo 19 cai para baixo na direção vertical de modo a contatar com a parede interna da tubulação 11. Neste estado, quando o eixo 19 é girado na direção da seta D, a rotação do eixo 19 prossegue enquanto o membro de raspagem 20a contata com a parede interna onde a lama é facilmente retida pela tubulação 11. Este mecanismo evita que a lama seja retida nas vizinhanças da parede interna do reator 12, permitindo que fluxo do tipo êmbolo altamente exato seja gerado sem ser afetado por uma propriedade da lama e uma escama do sistema.

Investigação Comparativa de Rendimentos entre Reator de Tipo Batelada e Reator 12 da Presente Modalidade Investigação de Rendimento no Reator de Tipo Batelada

[0115] A seguir, xilopolissacarídeos modificados foram produzidos por um reator de tipo batelada (não mostrado) capaz de precisamente controlar uma reação hidrotérmica, e um reator 12 mostrado nas modalidades 3A e 3B para a finalidade de investigações dos efeitos dos reatores 12 e 12A capaz de gerar fluxo do tipo êmbolo.

[0116] Em primeiro lugar, a lama foi preparada de modo que materiais triturados da farinha de espiga de milho (feita na Tailândia) tinha uma concentração de teor de sólido de 13,0 % em massa. Então, a lama resultante (30 mL) foi posta em um SUS316 feito por reator hidrotérmico de tipo batelada (capacidade de 50 mL, Taiatsu Techno). A seguir, a reação hidrotérmica foi realizada usando-se banhos de sal nos três níveis de temperatura de 180oC, 190oC e 200oC por um tempo de reação opcional variando de 0 a 24 min, com um parâmetro de severidade R0 variando de 0 a 20000 calculado pela equação (1).

[0117] Especificamente, as lamas foram submetidas a vários parâmetros de severidade R0s por seleção de qualquer temperatura de 180oC, 190oC e 200oC, e opcionalmente mudando o tempo de reação na temperatura selecionada. Observar, os parâmetros de severidade reais impostos nas lamas foram calculados por histórias de medição reais dentro do reator hidrotérmico usando-se um par termoelétrico durante a reação hidrotérmica.

[0118] Depois da conclusão da reação hidrotérmica, o próprio reator hidrotérmico foi rapidamente resfriado por água fria, e produtos assim obtidos foram analisados por HPLC. Mais especificamente, teores de um xilopolissacarídeo modificado (isto é, incluindo oligossacarídeos com um grau de polimerização de 2 ou mais, variando de cerca de 2 a 12), xilose e furfural foram medidos com relação às frações solúveis da lama assim produzidas depois da reação hidrotérmica.

[0119] Além disso, as quantidades do xilano não reagido foram calculadas com base nas quantidades de xilose assim produzidas pela decomposição de ácido sulfúrico, com relação às frações insolúveis da lama assim produzidas depois da reação hidrotérmica. Além do mais, como uma abordagem teórica, rendimentos teóricos (isto é, rendimento de produção de cada componente quando xilano foi totalmente decomposto) do xilopolissacarídeo modificado, xilose e furfural foram calculados pelos resultados analíticos avançados da composição de sacarídeo da espiga de milho. Aqui, os resultados analíticos avançados tinham sido obtidos anteriormente usando-se um método de decomposição hidrolítico ácido.

[0120] A Figura 5 é um diagrama gráfico que mostra curvas de rendimento dos produtos representados graficamente contra um parâmetro de severidade quando um material de espiga de milho é submetido a uma reação hidrotérmica exata por um reator de tipo batelada de baixa capacidade que pode precisamente controlar as condições de reação. Uma marca de □ representa um rendimento de xilano; uma marca de ▲ representa um rendimento do xilopolissacarídeo modificado; uma marca de ▼ representa um rendimento de xilose; e uma marca de ■ representa um rendimento de furfural, respectivamente. Aqui, curvas aproximadas foram retiradas com base nos diagramas dos componentes. As equações experimentais dos componentes respectivos são os seguintes.

[0121] Xilano:

[0122]

[0123] Xilopolissacarídeo modificado:

[0124]

[0125] Xilose:

[0126]

[0127] Furfural:

[0128]

[0129] Observar: X representa um parâmetro de severidade e Y representa um rendimento, nas equações acima.

[0130] Xilano é gradualmente hidrolisado seguindo um aumento no parâmetro de severidade, desse modo fornecendo o xilopolissacarídeo modificado e xilose, e mais furfural que é um hidrolisado excessivo de xilose. Quando o parâmetro de severidade excede 2600, um rendimento teórico do polissacarídeo modificado excede 60%, e o rendimento mostra um valor máximo de 68,3% em volta do parâmetro de severidade de 4700. Então, como o parâmetro de severidade ulteriormente aumenta, o xilopolissacarídeo modificado é ulteriormente hidroliticamente decomposto, resultando em uma diminuição no rendimento. Finalmente, quando o parâmetro de severidade excede 7500, o rendimento novamente cai para baixo de 60% e concentrações simultâneas de xilose e furfural são aumentadas.

[0131] Como mostrado na Figura 5, foi determinado que a relação entre o parâmetro de severidade da reação hidrotérmica e o rendimento de cada componente foi extremamente alto independentemente das temperaturas de reação pré-ajustadas. Isto é, embora uma temperatura e um tempo fossem opcionalmente ajustados quando do controle de um parâmetro de severidade R0, tal uma alta relação foi obtida quando representação gráfica dos rendimentos contra o parâmetro de severidades ao invés das temperaturas e tempos. Aqui, rendimentos de xilose e furfural foram suficientemente suprimidos quando o parâmetro de severidade estava na faixa de 3000 a 7000 como indicado pela linha de espessura de meio. Além disso, naquela faixa, o xilopolissacarídeo modificado foi coletado em um alto rendimento.

[0132] Embora não fosse mostrado, similarmente à análise acima, rendimentos obtidos por um reator de tipo tubo convencional foram representados graficamente. Como um resultado disso, as curvas de rendimento eram idênticos àquelas da Figura 5 na faixa de 3000 a 7000 do parâmetro de severidade. Observar, o reator de tipo tubo convencional foi revelado na JP 2008-253861 descrita aqui mais acima; Φ 25 mm, comprimento de tubo ascendente de calor: 8 m, capacidade de tubo ascendente de calor: 4000 mL, comprimento de reator: 4 m, capacidade: 2000 mL, taxa de tratamento padrão: 300 mL/min (variável).

Investigação de Rendimentos no Reator 12 da Presente modalidade

[0133] A seguir, uma reação hidrotérmica foi testada usando-se farinha de espiga de milho (feita na Tailândia) no sistema de reação dotado com o reator 12 mostrado nas Figuras 3A e 3B. No reator 12, a tubulação 11 tinha um diâmetro interno de Φ 140 mm, um comprimento de 2200 mm (comprimento na direção de fluxo de lama), e o eixo 19 tinha um diâmetro de Φ 62 mm. Além disso, a lâmina que controla a passagem 16 tinha uma espessura de 10 mm (espessura na direção vertical para um fluxo de lama).

[0134] Aqui, na lâmina que controla a passagem 16, uma parte oca retangular 16b foi formada como mostrada nas Figuras 3A e 3B. A parte oca 16b tinha as seguintes dimensões: uma largura de 200 mm (comprimento na direção do fluxo de lama), uma altura de 40 mm (comprimento dirigido para fora de o eixo 19), e uma espessura de 10 mm. Além disso, a lâmina que controla a passagem 16 tinha a distância of 2 mm, entre the periferia 16c e a parede interna da tubulação 11. As dimensões acima providas do reator 12 com uma capacidade eficaz de 24 L.

[0135] Uma espiga de milho foi triturada por um moinho de bolas de modo que um diâmetro médio de partícula estava na faixa de 30 μm a 60 μm medidos pelo analisador descritos acima. Água quente foi adicionada ao material triturado para preparar um material de partida de tipo lama. Uma temperatura e uma taxa de fluxo de bomba do aquecedor 17 no reator 12 foram ajustadas de modo a definir a temperatura de reação que varia de 180oC a 200oC, e um tempo de retenção dentro do reator 12 que varia de 9 min a 17 min.

[0136] Então, como uma lama a ser alimentada, uma lama de espiga de milho com um teor de sólido de 15,7 % em massa a 18,6 % em massa foi feita para passar através do reator 12, e o progresso de reação foi observado. A lama foi feita para passar através da mesma na taxa de fluxo de 2,4 ton a 4,5 ton por dia (isto é, como uma velocidade de fluxo de 2 L/min).

[0137] No reator 12, uma taxa de rotação do eixo 19 foi ajustada para 10 rpm (isto é, 0,07 m/s como a velocidade circunferencial da periferia 16c na lâmina que controla a passagem 16). Como um resultado disso, a temperatura real dentro do reator 12 foi precisamente controlada dentro de +2oC em relação à temperatura prescrita ajustada para o reator 12 na faixa de temperatura onde uma reação hidrotérmica a 160oC ou mais alta foi conduzida. Além disso, uma pressão dentro do reator 12 foi estabilizada a 2,0 Mpa que estava acima da pressão de vapor.

[0138] Um parâmetro de severidade da lama descarregada a partir do tanque de descarregamento de material 23 disposto a jusante do reator 12 foi calculado com base na temperatura e taxa de fluxo (ou tempo) dentro do reator 12 na operação. Então, rendimentos per o parâmetro de severidades foram representados graficamente similarmente às curvas do rendimento na Figura 5.

[0139] A Figura 6 é um diagrama gráfico que mostra a comparação de rendimentos quando um material de espiga de milho é submetido a uma reação hidrotérmica no reator da presente modalidade para fornecer curvas exatamente obtidas no reator de tipo batelada. Uma marca de O representa um rendimento de xilano; uma marca de △ representa um rendimento do xilopolissacarídeo modificado; uma marca de ▽representa um rendimento de xilose; e uma marca de □ representa um rendimento de furfural, respectivamente. Aqui, gráficos mostrados por linhas tracejadas na Figura 6 são iguais às curvas de rendimento mostradas por linhas sólidas na Figura 5.

[0140] Como mostrado na Figura 6, os rendimentos respectivos do xilopolissacarídeo modificado, xilose e furfural obtidos pelo sistema de coleta 100 dotado com o reator 12 da presente modalidade eram idênticos às curvas de rendimento exatamente obtidas pelo reator de tipo batelada mostradas na Figura 5. Particularmente, aqueles rendimentos respectivos eram precisamente idênticos às curvas de rendimento na região com um parâmetro de severidade variando de cerca de 3000 a 7500.

[0141] Os resultados de Figura 6 demonstram que as condições da reação hidrotérmica são suficientemente controlados no reator de tipo contínuo 12 tendo uma escala de 2000 mL/min (isto é, escala piloto), similarmente ao reator de tipo batelada of 30 mL que pode precisamente controlar a reação hidrotérmica. Especificamente, um rendimento total do xilopolissacarídeo modificado e xilose é garantido, sugerindo que calor usado para xilano de decomposição hidrolítica foi favoravelmente conduzido. A saber, é sugerido que calor é uniformemente conduzido também no reator 12 da presente modalidade,similarmente ao reator de tipo batelada precisamente que controla uma temperatura. Portanto, é considerado que fluxo do tipo êmbolo é gerado dentro do reator 12.

[0142] Além disso, o rendimento do xilopolissacarídeo modificado mostra a mesma tendência que a curva de rendimento do reator de tipo batelada, como indicado por uma linha tracejada. A constatação acima sugere que pequena é uma quantidade da lama que passa através do reator permanece como não reagido, uma taxa de conversão, e uma quantidade da lama que retém no reator 12 por um período longo de tempo. Estas constatações demonstram que o reator 12 que gera fluxo do tipo êmbolo da presente modalidade pode produzir o xilopolissacarídeo modificado em uma grande escala, que foi difícil de ser conseguido na tecnologia convencional.

Investigação na Estrutura de Xilopolissacarídeo Modificado Produzida pelo Reator 12

[0143] A seguir, a estrutura do xilopolissacarídeo modificado contida no filtrado (isto é, fração solúvel) obtida pelo sistema de coleta 100 dotado com o reator 12 da presente modalidade foi analisado por HPLC e MALDI-TOF MA

[0144] Em primeiro lugar, a lama da biomassa contendo xilano foi submetida à reação hidrotérmica sob a condição com um parâmetro de severidade de 4600 pelo reator 12 mostrado nas Figuras 3A e 3B. Então, a lama resultante assim descarregada a partir do tanque de descarregamento de material 23 localizado a jusante do reator 12 (isto é, lama produzida depois de a reação hidrotérmica) foi submetida à separação e filtração de centrífuga de modo a remover um teor de sólido insolúvel, desse modo para produzir filtrado (fração solúvel). A seguir, o filtrado assim obtido foi fervido por 3 hr na presença de ácido sulfúrico a 1 M, e foi neutralizado por uma solução aquosa saturada de hidróxido de bário. Depois da remoção de sulfato de bário insolúvel, teores de monossacarídeos e ácido urônico foram analisados respectivamente por HPLC com um detector de RI.

[0145] Além disso, teores de ácido acético e metanol respectivamente derivatizados de grupos acetila e metila foram similarmente analisados respectivamente. Então, teores do grupo acetila e do grupo metila foram calculados com base nos teores de teores de ácido acético e metanol assim analisados.

[0146] Além do mais, teores de ácido ferúlico esterificado e p- coumárico foram determinados por HPLC com um detector de UV depois que aqueles ésteres de ácido foram submetidos a uma reação de desesterificação a 65oC por 2 hr sob a condição alcalina de solução aquosa de hidróxido de sódio a 1 M, e foram neutralizados por ácido clorídrico. Então, teores de ácido ferúlico e ácido p-coumárico foram calculados com base nos teores do ácido ferúlico esterificado e ácido p-coumárico assim analisados como mencionado acima.

[0147] Os resultados das análises são mostrados na Tabela 1. [Tabela 1]

[0148] Como mostrado na Tabela 1, xilose foi detectada como um componente principal. A detecção de xilose foi causada por hidrólise ácida do xilopolissacarídeo modificado que foi solúvel e foi produzida através da reação hidrotérmica de xilano. A hidrólise ácida do xilopolissacarídeo modificado produzia xilose monomérica incluída no xilopolissacarídeo modificado. Além disso, os monossacarídeos assim detectados continham glicose, arabinose, manose e galactose.

[0149] Além disso, um grupo acetila, um grupo feruloíla e um grupo p-cumaroíla foram detectados. Aqueles resultados levam à constatação de que os substituintes acima que foram detectados apenas por uma reação hidrotérmica de pequena escala são bem preservados na reação hidrotérmica em escala piloto realizada pelo reator 12.

[0150] Além disso, um grau de substituição representado por uma razão em mol calculada com base no teor do grupo acetila contra o teor de xilose foi calculada. Como um resultado disso, o grau de substituição foi calculado como 0,18. O resultado indica que 1 molécula de xilose é substituída com porções de 0,18 (de cerca de porções de 2) dos grupos acetila. Assim, é demonstrado que um grupo acetila existe por xilopiranose tendo cinco cadeias lineares.

[0151] Similarmente, também calculados foram graus de substituição representados pelas razões em ol calculadas com base nos teores do grupo arabinose, do grupo feruloíla e o grupo p- cumaroíla respectivamente contra o teor of xilose. Correspondentemente, os graus de subestação foram calculados como 0,043, 0,02 e 0,0072, respectivamente. Os resultados indicam que um grupo feruloilarabinofuranosila e um grupo cumaroilarabinofuranosila ambos os quais existem apenas no xilano derivado de paredes de células de planta são também preservadas no xilopolissacarídeo modificado assim obtido pelo reator 12.

Investigação de Produtos Quando Xilopolissacarídeo Modificado Obtido pelo Reator 12 é Submetido à Reação Enzimática

[0152] O filtrado (130 mL; fração solúvel) usado para a obtenção dos resultados na Tabela 1 foi coletado. Então, etanol foi lentamente adicionado ao filtrado coletado enquanto sendo levemente agitado até que a concentração de etanol alcance 80% em vol. Depois de repouso de um dia para o outro a 4oC, precipitados foram coletados por um filtro de vidro. Então, os precipitados coletados foram lavados com etanol e acetona duas vezes respectivamente, e os produtos resultantes foram secos em vácuo por 4 dias.

[0153] Cerca de 3 g do xilopolissacarídeo modificado foram obtidos a partir de um sólido desse modo submetidos à secagem a vácuo. Observar, o xilopolissacarídeo modificado resultante foi obtido pelo reator 12 da presente modalidade . Então, o xilopolissacarídeo modificado foi dissolvido em água de troca de íons com um valor de pH de 5 a 6 de modo a preparar uma solução aquosa de xilopolissacarídeo modificada (1 % em massa). A solução aquosa assim preparada foi submetida a um teste de reação enzimática e uma análise de MALDI-TOF MS.

[0154] As enzimas usadas para o teste de reação enzimática são derivadas de Streptomyces olivaceoviridis. Aqui, as enzimas assim usadas são 3 tipos que consistem em beta-xilosidase purificada, e 2 tipos de endo-beta-1,4-xilanase purificada. A beta-xilosidase purificada é classificada em GH43 de uma hidrolase de glicosídeo (GH) registrada na base de dados de enzima relacionada a carboidrato (CAZ). Os 2 tipos de endo-beta-1,4-xilanase purificada são classificados em GH10 e GH11 registrados nas bases de dados descritos acima. Aquelas enzimas são purificadas de modo que o teor de esterase é extremamente limitado.

[0155] Então, os 3 tipos de enzimas foram adicionados à solução aquosa de xilopolissacarídeo modificada (1% em massa) respectivamente de modo que cada razão (isto é, razão de volume) das enzimas se tornou de 1 por 40 da solução aquosa assim preparada. A seguir, as soluções resultantes foram submetidas às reações enzimáticas a 37oC por 15 hr, respectivamente. Depois da conclusão das reações respectivas, cada solução foi submetida ao tratamento de desativação térmica a 100oC por 5,0 min, e a solução de teste resultante foi analisada por MALDI-TOF MS.

[0156] Na análise de espectros de MS, detectada eram picos que correspondem aos xilopolissacarídeos modificados que foram modificados por grupos mono-, di-, tri-, e tetra-acetila (isto é, Ac1 - Ac4) com um grau de polimerização de 4 - 12 ou mais, com relação ao xilopolissacarídeo modificado que foi um substrato antes de ser submetido à reação enzimática (FAXil3).

[0157] A Figura 7 mostra resultados analíticos de MALDI-TOF MS da relação entre um grau de polimerização e o número do grupo acetila do xilopolissacarídeo modificado produzido pelo reator 12 da presente modalidade. A relação entre um grau de polimerização e o número do grupo acetila do xilopolissacarídeo modificado foi aproximadamente pela equação experimental: Y = 0,17 X (isto é, X representava um grau de polimerização, Y representava o número do grupo acetila, e aquelas definições foram as mesmas que nas Figuras 8 - 10 como mencionadas mais tarde).

[0158] O coeficiente de 0,17 mostrado na equação experimental representa um grau de substituição do grupo acetila per xilose monomérica. Aqui, o valor era quase idêntico ao grau de substituição de 0,18 obtida na análise de sacarídeo de HPLC na Tabela 1. Os dados indicam que os mesmos resultados foram obtidos quando os graus de substituição do grupo acetila foram avaliados mesmos pelos métodos totalmente diferentes.

[0159] O resultado mostra quando a reação hidrotérmica é realizada pelo reator 12 da presente modalidade,os grupos acetila que são substituintes presentes no xilano derivado de paredes de células de planta são bem preservados.

[0160] A Figura 8 mostra resultados analíticos de MALDI-TOF MS da relação entre um grau de polimerização e o número do grupo acetila do xilo-oligossacarídeo modificado produzidos por aplicação de β-xilosidase (GH43) ao xilopolissacarídeo modificado produzido pelo reator 12 da presente modalidade. A relação entre um grau de polimerização e o número do grupo acetila do xilo-oligossacarídeo modificado foi aproximado pela equação experimental Y = 0,38X.

[0161] Aqui, β-xilosidase tem uma função para o corte de uma cadeia de xilossacarídeo tendo no grupo acetila do lado terminal de não redução de xilano, pelo que é provável que a cadeia de xilo- oligossacarídeo não acetilada é totalmente coletada. Por outro lado, o grau de substituição dos grupos acetila do xilo-oligossacarídeo modificado resultante é admitido como sendo 0,38 que é uma inclinação da equação experimental aproximada. Correspondentemente, o grau de substituição era maior do que número do grupo acetila (0,18) do xilopolissacarídeo modificado original mostrado na Figura 7.

[0162] Aqui, seria observado que a reação enzimática de β-xilosi- dase é inibida pela modificação dos grupos acetila e assim por diante, e portanto β-xilosidase não pode cortar uma ligação do xilopolissacarídeo modificado de glicosídeo. Portanto, esta inibição de reação pode ser usada para a prevenção da clivagem da ligação de glicosídeo, permitindo que um xilo-oligossacarídeo altamente acetilado seja coletado.

[0163] Além disso, é admitido que um aumento no xilo-oligossaca- rídeo modificado com um grau de polimerização maior do que o xilopolissacarídeo modificado original resulta da presença de um xilopolissacarídeo modificado acetilado macromolecular com um grau de polimerização de 12 ou mais e não detectado por MS, no substrato (isto é, xilopolissacarídeo modificado antes de ser submetido à reação enzimática). A saber, tal um xilopolissacarídeo modificado acetilado macromolecular é hidroliticamente decomposto em moléculas de baixo peso molecular pela reação enzimática. Portanto, é admitido que esta decomposição hidrolítica aumenta a concentração do xilo-oligossaca- rídeo acetilado assim detectado.

[0164] A Figura 9 mostra resultados analíticos de MALDI-TOF MS da relação entre um grau de polimerização e o número do grupo acetila do xilopolissacarídeo modificado produzidos por aplicação de beta-1,4-xilanase (GH10) ao xilopolissacarídeo modificado produzido pelo reator 12 da presente modalidade.

[0165] Além disso, a Figura 10 mostra resultados analíticos de MALDI-TOF MS da relação entre um grau de polimerização e o número do grupo acetila do xilo-oligossacarídeo modificado produzidos por aplicação de beta-1,4-xilanase (GH11) ao xilopolissacarídeo modificado.

[0166] Como mostrado nas Figuras 9 e 10, o número do grupo acetila do xilo-oligossacarídeo modificado foi aumentado quando qualquer enzima fosse usada. Mais especificamente, quando β- xilosidase (GH10) foi usada (vide a Figura 9), o número do grupo acetila (isto é, uma inclinação de equação aproximada) foi de 0,72. Quando beta-xilosidase (GH11) foi usada (vide a Figura 10), o número do grupo acetila (isto é, uma inclinação da equação aproximada) foi de 0,50. É admitido que quando beta-xilosidase (GH10) é usada entre aquelas enzimas, β-xilosidase (GH10) tem alta atividade na área não acetilada, embora a reação seja grandemente inibida pelo resíduo de acetila. Portanto, quando comparada com a última (isto é, beta- xilosidase (GH11)), o xilo-oligossacarídeo modificado tendo um baixo grau de polimerização e o número maior do grupo acetila pode ser coletado.

[0167] Em contraste com isso, o xilopolissacarídeo modificado obtido pelo reator 12 da presente modalidade foi submetido à decomposição enzimática via beta-xilosidase (GH10) e beta-xilosidase (GH11). As soluções assim obtidas foram analisadas por MAIDI-TOF MS. A Tabela 2 sumariza os resultados. A Tabela 2 lista tipos os xilo- oligossacarídeos modificados obtidos pelas reações enzimáticas, e seus valores de m/z. Tabela 2.

[0168] Na Tabela 2, "FA" representa um grupo funcional de"feruloil- alfa-L-arabinofuranosila". "CA" representa "p-coumaroil-alfa-L-arabino- furanosila."Além disso, o número seguinte "Xil" representa o número de xiloses. Por exemplo, "FAXil3" representa "feruloíla -alfa-arabinofu- ranosil-xilotriose."Além do mais, "Ac" representa um grupo acetila, e o número seguinte "Ac" representa o número dos grupos acetilas. Portanto, "FAXil3Ac1" representa "feruloil-alfa-L-arabinofuranosil- monoacetil-xilotriose."

[0169] Além do mais, a totalidade de FAXil1, FAXil2, FAXil3, FaXil4, FAXil5, CAXil1, FAXil12, FAXil13 e FAXil14 são uma espécie dos xilopolissacarídeos modificados. Esta definição é similar a outros sacarídeos.

[0170] Os resultados analíticos por MALDI-TOF MS demonstravam a detecção de feruloil-alfa-L-arabinofuranosil-xilo- oligossacarídeo (FA-xilo-oligossacarídeo); e monoacetil-FA-xilo- oligossacarídeo, diacetil-FA-xilo-oligossacarídeo e triacetil-FA-xilo- oligossacarídeo, a totalidade dos quais foram derivados de FA-xilo- oligossacarídeo ligados com 1 - 3 grupos acetila. Como mencionado acima, coletados foram vários tipos de componentes de oligossacarídeo derivados de FA-xilopolissacarídeos com o grau de polimerização de 2 - 7, aos quais 1 - 3 grupos acetila estavam ligados.

[0171] Especificamente, FAXil2Ac1, FAXil2Ac2, FAXil2Ac3, FAXil3Ac1, FAXil3Ac2, FAXil3Ac3, FAXil4Ac1, FAXil4Ac2, FAXil4Ac3, FAXil5Ac1, FAXil5Ac2, FAXil5Ac3, FAXil6Ac1, FAXil6Ac2, FAXil6Ac3, FAXil7Ac1, FAXil7Ac2, e FAXil7Ac3 foram coletados.

[0172] Além disso, similarmente ao exposto acima, os resultados analíticos por MALDI-TOF MS demonstravam que os picos de p-cou- maroil-alfa-L-arabinofuranosil-xilo-oligossacarídeo (CA-xilo-oligossa- carídeo) e monoacetil-CA-xilo-oligossacarídeo foram também detectados. Especificamente, CAXil2, CAXil3, CAXil4, CAXil2Ac1, CAXil3Ac1 e CAXil4Ac1 foram detectados. Correspondentemente, verificou-se que as reações enzimáticas (isto é, com β-xilosidase e xilanase) aplicadas aos xilopolissacarídeos modificados assim obtidos pelo reator 12 da presente modalidade permitem a produção de xilo-oligossacarídeos modificados com altos graus de modificação.

[0173] Aqui, As reações enzimáticas podem preservar os substituintes nas cadeias laterais de xilano derivadas de parede de célula de planta. Além do mais, embora seja não mostrado nas FIGS, é admitido que xilose de monossacarídeo é também produzida como as reações enzimáticas ulteriormente prossegue, além dos xilo- oligossacarídeos modificados expostos acima.

[0174] Especificamente, por exemplo, xilo-oligossacarídeos altamente acetilados (isto é, mono-, di-, tri-, tetra- e penta-acetil-xilo- oligossacarídeos), e xilose de monossacarídeo podem ser coletados em um tempo de reação curto. Além disso, por exemplo, além dos xilo- oligossacarídeos altamente acetilados bem como FA-xilo-oligossa- carídeo e CA-xilo-oligossacarídeo, xilo-oligossacarídeos modificados tais como mono-, di- ou tri-acetil-FA-XOS e mono-, di- ou tri-acetil CA- XOS podem ser também coletados.

[0175] Como mencionado aqui mais acima, o uso do reator 12 que gera fluxo do tipo êmbolo, e o controle do parâmetro de severidade pode produzir os xilopolissacarídeos modificados preservando os substituintes na sua cadeia lateral. Os xilopolissacarídeos modificados assim obtidos são facilmente submetidos à reação enzimática desde que eles fossem solubilizados.

[0176] Portanto, quando uma pequena quantidade da enzima purificada é usada por aqueles xilopolissacarídeos modificados, a reação enzimática rapidamente prossegue, permitindo as grandes quantidades e de baixo custo de produção dos xilo-oligossacarídeos modificados com um grau de alta modificação e usabilidade tal como FAXil2Ac1.

Sumário

[0177] Como mencionado aqui mais acima, os xilopolissacarídeos modificados assim obtidos pelo reator 12 eram polissacarídeos variando de oligossacarídeos com um grau de polimerização de cerca de 2 - 12 para dar polímeros com um grau de polimerização de 20 ou mais. Além disso, grandes quantidades dos xilopolissacarídeos modificados foram coletadas enquanto preservando os substituintes tais como um grupo acetila, um grupo feruloil-alfa-L-arabinofuranosila (FA), e um grupo p-coumaroil-alfa-L-arabinofuranosila (CA) das quais granes quantidades foram originalmente incluídas nas paredes de células de planta.

[0178] Entretanto, embora explicações detalhadas sejam omitidas, quando o xilopolissacarídeo modificado assim produzido pela reação hidrotérmica é feita para reagir com beta-xilosidase ou endo-beta-1,4- xilanase, a taxa de reação resultante se torna cerca de 24 vezes a 48 vezes mais alta do que aquela da reação em que biomassa contendo xilano é submetida à reação enzimática depois de ser submetida a um pré-tratamento alcalina ou um pré-tratamento digestivo.

[0179] Além disso, o método convencional para a realização de um tratamento alcalino para biomassa ou realização de um tratamento enzimático contendo esterase permite os substituintes tal como um grupo acetila a ser totalmente removido. Assim, no método convencional de decomposição hidrolítica prossegue para produzir um homo-xilo-oligossacarídeo de baixo peso molecular e não modificado. Isto torna difícil de produzir um hetero-xilo-oligossacarídeo modificado.

[0180] Além do mais, quando o parâmetro de severidade é baixo, a decomposição hidrolítica pesadamente prossegue, resultando em uma diminuição no rendimento do xilopolissacarídeo modificado. Em contraste com isso, quando o parâmetro de severidade é alto, não apenas o rendimento do xilopolissacarídeo modificado é diminuído mas também os substituintes tendem a ser facilmente removidos em uma diminuição nos substituintes do xilopolissacarídeo modificados.

[0181] A saber, há uma relação entre o parâmetro de severidade que afeta o material de xilano contendo a biomassa durante a reação hidrotérmica e a quantidade dos substituintes restantes.

[0182] Portanto, o reator 12 que gera fluxo do tipo êmbolo é usado na presente modalidade a fim de prover um parâmetro de severidade uniforme e desejável com todas as matérias primas. Assim, análise do perfil de preservação dos substituintes do xilopolissacarídeo modificado permite estimativa precisa da história grau esse em que a reação hidrotérmica foi realizada.

[0183] Além disso, se a lama assim obtida pelo reator 12 da presente modalidade for purificada via separação de membranas, carbono ativo e tratamentos de troca de íons e subsequentemente for concentrada, e ulteriormente for submetida a secagem por spray e secagem por congelamento, pó branco contendo o xilopolissacarídeo modificado e obtido. Aqui, os substituintes são preservados nas cadeias laterais do xilopolissacarídeo modificado. Assim, qualquer que seja o xilopolissacarídeo modificado trata-se de um polímero cuja solubilidade em água se torna alta.

[0184] Além do mais, o xilopolissacarídeo modificado é um sacarídeo estável tendo doçura delicada derivada de um xilopolissacarídeo de baixo peso molecular bem como toque suave e agradável sobre a língua como açúcar.

[0185] Um esqueleto básico do xilopolissacarídeo modificado é formado pela ligação beta-1,4 de hemicelulose. Portanto, o xilopolissacarídeo modificado é considerado como fibra de dieta tendo uma solubilidade em água, que fornece uma funcionalidade de fibra de dieta que é difícil de ser tomada no presente estilo de vida na dieta. Além disso, xilopolissacarídeos modificados solúveis em água que preservam as cadeias laterais são dificilmente hidrolisados no ambiente de pH dentro dos órgãos digestivos. Finalmente, a maioria dos xilopolissacarídeos modificados alcançam dentro dos intestinos em uma forma intacta.

[0186] Aquelas características permitem uma parte dos xilopolissacarídeos modificados tendo alcançados nos intestinos a serem utilizados pelo micro-organismo desse modo para produzir ácidos orgânicos úteis tais como ácido acético, ácido ferúlico e ácido coumárico. Correspondentemente, os xilopolissacarídeos modificados são esperados como sendo utilizados para um excelente material prebiótico. Descrição dos Números de Referência 11 Tubulação 12 Reator 16 Lâminas de controle de passagem (isto é, Mecanismo de controle de passagem) 16a Membro de placa (isto é, Mecanismo de controle de passagem) 16b Parte oca (ou Furo de passagem; isto é, Mecanismo de controle de passagem) 16c Parte periférica (isto é, Mecanismo de controle de passagem) 18 Suporte (isto é, Membro de placa, Mecanismo de controle de passagem) 19 Eixo (isto é, Rotor) 20a Membro de raspagem (isto é, Mecanismo de controle de passagem) 20b Membro de pressão (isto é, Mecanismo de controle de passagem) 20c Parafuso ("Bolt") (isto é, Mecanismo de controle de passagem) 100 Sistema de reação

Claims

1. Método para a produção de um xilopolissacarídeo modificado, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: preparação de biomassa como uma matéria-prima que compreende xilano em suas paredes de células de planta, em que o xilano compreende pelo menos um dos substituintes selecionados dentre um grupo acetila, um grupo feruloilarabinofuranosila e um grupo cumaroilarabinofuranosila em uma cadeia lateral do mesmo; realização de tratamento hidrotérmico contínuo sobre uma lama que contém a biomassa de 10 % a 30 % em massa como um teor de sólidos, por uso de um reator cilíndrico de fluxo do tipo êmbolo ("PFR") (12), sob condições controladas a uma temperatura de 160°C, ou maior, e a uma pressão igual, ou maior, que a pressão de vapor saturado da água a dita temperatura, e produção de um xilopolissacarídeo modificado, o qual preserva os substituintes no lado da cadeia do xilano, e o método é definido em que o reator cilíndrico de fluxo do tipo êmbolo (12), compreende um mecanismo de controle de passagem (16) dentro do reator, e o tratamento contínuo hidrotérmico é realizado com um parâmetro de severidade R0 variando de 3000 a 7000 calculado pela seguinte equação (1),

em que T(t) representa uma variação de tempo da temperatura (oC), Tr representa uma temperatura padrão (100oC), t representa um tempo(min) e ©representa uma constante (=14,75).

2. Método para a produção de um xilopolissacarídeo modificado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o mecanismo de controle de passagem (16) compreende: um rotor colunar (19) que é rotativo em torno de um eixo central disposto em uma direção paralela a um fluxo da lama; uma pluralidade de lâminas de controle de passagem (16) consistindo em um membro de placa (16a) que está disposto em uma superfície lateral do rotor (19), dirigido para fora do rotor (19) e estendido em uma direção do fluxo da lama.

3. Método para a produção de um xilopolissacarídeo modificado de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que uma parte da lâmina que controla a passagem (16) voltada para uma parede interna do reator de fluxo do tipo êmbolo (12) tem uma distância de 5 mm ou menos relativa à parede interna.

4. Método para a produção de um xilopolissacarídeo modificado de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o rotor (19) é girado de modo que uma velocidade circunferencial de uma periferia do membro de placa (16a) está na faixa de 0,02 m/seg a 0,3 m/seg.

5. Método para a produção de um xilopolissacarídeo modificado de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que um furo de passagem é formado no membro de placa (16a) de modo que a lama passa através do mesmo em uma direção circunferencial do rotor.

6. Método para a produção de um xilopolissacarídeo modificado de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que um membro de raspagem (20a) girável em torno de um eixo central está disposto em uma periferia do membro de placa (16a), e o membro de raspagem (20a) contacta uma parede interna do reator de fluxo do tipo êmbolo (12) quando o rotor (19) é girado.

7. Método para a produção de um xilopolissacarídeo modificado de acordo com a reivindicação 1, o dito método sendo caracterizado pelo fato de que compreende ainda as etapas de: fazer-se pelo menos ou beta-xilosidase ou xilanase reagir com um xilopolissacarídeo modificado assim obtido no reator de fluxo do tipo êmbolo (12); e a produção de um xilo-oligossacarídeo modificado que preserva substituintes em uma cadeia lateral do xilopolissacarídeo modificado.