52º CBQ - HIDRÓLISE ÁCIDA DE BAGAÇO DE CANA INCENTIVADA POR MICROONDAS NAS FREQUÊNCIAS DE 2,45 E 5,8 GHz

ÁREA: Química Tecnológica

TÍTULO: HIDRÓLISE ÁCIDA DE BAGAÇO DE CANA INCENTIVADA POR MICROONDAS NAS FREQUÊNCIAS DE 2,45 E 5,8 GHz

AUTORES: Nascimento, R.B. (CENTRO UNIVERSITÁRIO DO INSTITUTO MAUÁ DE TECNOLOG) ; Jermolovicius, L.A. (CENTRO UNIVERSITÁRIO DO INSTITUTO MAUÁ DE TECNOLOG) ; Castro, E.R. (CENTRO UNIVERSITÁRIO DO INSTITUTO MAUÁ DE TECNOLOG) ; Senise, J.T. (CENTRO UNIVERSITÁRIO DO INSTITUTO MAUÁ DE TECNOLOG)

RESUMO: Realizou-se um experimento para comparar as eficiências da hidrólise de bagaço de cana de açúcar in natura utilizando radiação de micro-ondas na frequência de 2,45 GHz e na de 5,8 GHz. A hidrólise em questão foi realizada em um reator de fluxo contínuo do agente hidrolítico sobre uma massa estacionária de bagaço, sob campo de micro-ondas e sob pressão de 0,2 MPa. O agente hidrolítico utilizado foi uma solução aquosa de ácido p-tolueno sulfônico 1,25 M. Foi realizada uma comparação de médias para avaliar a eficiência destas frequências de micro-ondas na hidrólise do bagaço. São apresentados gráficos do rendimento em açúcares redutores totais e em furfural. Os resultados mostram que foi obtido maior rendimento em açúcares redutores totais ao se usar a frequência de 2,45 GHz.

PALAVRAS CHAVES: BIOMASSA; HIDRÓLISE; MICRO-ONDAS

INTRODUÇÃO: A atual conjuntura internacional desenhada pela futura insuficiência de combustíveis fósseis e as mudanças climáticas geradas pela emissão irracional de gases do efeito estufa tem resultados em ações governamentais a favor do uso de biocombustíveis (IEA, 2009); (PLANO NACIOANL DE ENERGIA, 2006-2010). Há vários processos para transformar o bagaço em açúcares redutores totais (ART),os enzimáticos e os de hidrólise enzimática são os mais citados (EPO, 2012). Entre estes dois processos os mais numerosos são os enzimáticos, devido à habilidade de hidrolisar frações cristalinas da celulose alfa (ZHAO, 2006). A hidrólise ácida apresenta o problema de decompor carboidratos em furfural e 4-hidroximetilfurfural (SUN, 2002), que são inibidores de fermentação, com isso foi desenvolvido um reator contínuo para produção de ART com mínima formação de furfural (JERMOLOVICIUS, 2011). O ponto negativo dos processos enzimáticos é o tempo de processamento que pode chegar até mais de 100 horas (GUSAKOV, 2007; TOLAN, 2007) o que encarece sua aplicação industrial. A frequência de micro-ondas de 2,45 GHz é a mais utilizada tanto em pesquisas científicas quanto aplicações industriais, médicas e domésticas. Atualmente a frequência de 5,8 GHz está se tornando atrativa para algumas aplicações. A vantagem da frequência de 5,8 GHz em relação à de 2,45 GHz é o espaço requerido para instalação dos equipamentos que é até três vezes menor que para a frequência de 2,45 GHz. Já a desvantagem da frequência de 5,8 GHz é o seu baixo poder de penetração (HORIKOSHI, 2008). Com o intuito de verificar qual destas frequências é mais efetiva para a hidrólise do bagaço, foi realizado o presente trabalho.

MATERIAL E MÉTODOS: Para realização dos ensaios utilizou-se bagaço de cana tal qual vem da usina, seco em estufa a 60º C, e que foi caracterizado (HALWARD, 1975). O agente hidrolítico utilizado foi o ácido p-tolueno sulfônico 1,25 M. Para a hidrólise ácida foi utilizado o reator semi contínuo irradiado por micro-ondas desenvolvido para este fim (JERMOLOVICIUS, 2011). Sendo contínuo em relação ao agente hidrolítico e de batelada com relação ao bagaço. Constituído por uma cavidade cilíndrica em aço inoxidável, com uma câmara de reação em quartzo em seu interior. Foram utilizadas duas bombas para realizar a circulação de água e agente hidrolítico, e um trocador de calor para resfriamento do hidrolisado. O reator possui um manômetro e uma válvula de descompressão antes da saída do hidrolisado; dois termopares indicadores da temperatura de entrada e de saída do reator também foram usados. A cavidade é conectada, por meio de um guia de onda aos geradores de micro-ondas. Em 5,8 GHz foram testadas as duas cavidades: a que foi utilizada com 2,45 GHz e outra específica para 5,8 GHz. Os conjuntos de geração de micro-ondas contam com acopladores direcionais que permitem a determinação da potência irradiada e refletida no reator, que são medidas com um medidor de potência Agilent E44198B. Para os ensaios foram utilizados 1,00 g de bagaço. Bombeou-se a solução de agente hidrolítico com vazão de 15 mL/min a 25^oC. O reator foi irradiado com potência efetiva de 200W/g. O efluente resfriado foi pesado e sua densidade determinada por densimetria. A cada dois minutos foram retiradas alíquotas para dosagem de ART (MILLER, 1959) e de furfural (LUTZ, 2005). Os testes para cada cavidade e frequência foi realizado em triplicata.

RESULTADOS E DISCUSSÃO: A caracterização do bagaço de cana apresentou os seguintes resultados: 44,2 % de celulose total, 25,1 % de hemicelulose, 33,8% de celulose alfa e 27,3 % de lignina. Para a frequência de 2,45 GHz foi obtido um rendimento médio de 43,7% em ART que correspondem à hidrólise da hemicelulose e 18,6% da celulose total presente no bagaço de cana e para o furfural alcançou-se a rendimento de 0,84%. Com a frequência de 5,8 GHz, utilizando a mesma cavidade que a usada em 2,45 GHz, foram obtidos rendimentos em ART de 25,9% que corresponde a toda a hemicelulose e apenas 0,8% da celulose total e para o furfural obteve-se 0,18% em rendimento. Na frequência de 5,8 GHz, utilizando a cavidade própria para 5,8 GHz, obteve-se um rendimento em ART de 8,3% e 0,05% em furfural. Foram construídas curvas instantâneas e acumuladas de evolução de rendimento em ART e furfural para os três conjuntos, que são apresentados nas figuras 1 e 2. Observando a figura 1 pode-se notar que com apenas 4 minutos conseguiu-se hidrolisar 73% do total hidrolisado para a frequência de 2,45 GHz, 92% para a frequência de 5,8GHz com cavidade de 2,45 GHz e 85% para a frequência de 5,8 com cavidade de 5,8 GHz. Aplicando um teste de comparação de médias (ARA, 2003) com os três conjuntos de resultados, determinou-se que há diferença entre os conjuntos com um nível de significância de 99,9%. Observa-se que o rendimento final para a frequência de 2,45 GHz foi o maior. Na figura 2 observa-se que houve uma formação quase 5 vezes maior de furfural para a frequência de 2,45 GHz comparada com a de 5,8 GHz, isto pode ser devido ao fato da frequência de 2,45 GHz possuir um maior poder de penetração comparada com a frequência de 5,8 GHz.

Açúcares redutores totais

Figura 1: Porcentagens instantâneas e acumuladas obtidas de açúcares redutores totais (ART)

Furfural

Figura 2: Porcentagens instantâneas e acumuladas obtidas de furfural.

CONCLUSÕES: A condição que apresentou maior rendimento em açúcares redutores totais foi a de 2,45 GHz com um rendimento de 43,7% em ART, enquanto que para a frequência de 5,8 GHz com cavidade de 2,45 GHz o rendimento foi de 25,9% e para 5,8 GHz com cavidade própria foi de 8,7% em ART isto se deve ao fato da frequência de 2,45 GHz possuir um maior poder de penetração comparado com a frequência de 5,8GHz. Já para a produção de furfural também obteve-se um maior rendimento para a frequência de 2,45 GHz, porém a quantidade formada é menor que 1% o que não prejudica um posterior processo de fermentação.

AGRADECIMENTOS: Os autores agradecem a L. Ferreira, D. Z. Passeti,ao Instituto Mauá de Tecnologia e a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo.

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GUSAKOV, A. V.; SALANOVICH, T. N.; ANTONOV, A. I.; USTINOV, B. U.; OKUNEV, O., N., 2007. Construction of Highly Efficient Cellulase Compositions for Enzymatic Hydrolysis of Cellulose. US 2007/0238155.

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