Realizado no Rio de Janeiro/RJ, de 14 a 18 de Outubro de 2013.
ISBN: 978-85-85905-06-4
ÁREA: Química Verde
TÍTULO: Avaliação de Pré-tratamento do Bagaço de Cana-de-Açúcar com Ácido Diluído para Produção de Etanol de Segunda Geração
AUTORES: Campos, L.M.A. (UNIFACS) ; Pontes, L.A.M. (UNIFACS) ; Carvalho, L.S. (UFRN) ; Chemmés, C.S. (UNIFACS) ; Garrido, C.V.S. (UNIFACS) ; Silva, F.C. (UNIFACS) ; Santos, J.M.G.M. (UNIFACS) ; Leal, S.C.S. (UNIFACS) ; Mercandelli, S.S. (UNIFACS) ; Silva, V.L. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE)
RESUMO: A geração de uma elevada quantidade de resíduos agrícolas com alto potencial
energético, a exemplo do bagaço de cana de açúcar, tem incentivado pesquisas em
prol do aproveitamento dessa biomassa para produção de etanol de segunda geração.
Neste trabalho foram realizados estudos da remoção de hemicelulose do bagaço de
cana de açúcar a partir do pré-tratamento com H2SO4 e H3PO4, nas concentrações
0,75% (v/v), 1,45% (v/v) e 2,15% (v/v), com o objetivo de utilizar a celulose como fonte de açúcares fermentescíveis. As amostras foram analisadas por FTIR e por análise gravimétrica antes e após o pré-tratamento. Com base nos resultados
obtidos, o H2SO4 0,75% (v/v) obteve a melhor eficiência no que diz respeito à
remoção de hemicelulose e conservação da estrutura celulósica em estudo.
PALAVRAS CHAVES: Pré-tratamento Ácido; Etanol de Segunda Geração; Remoção de Hemicelulose
INTRODUÇÃO: O Brasil gera muitos resíduos agrícolas e agroindustriais tais como, casca de
arroz, sisal e bagaço de cana de açúcar, que são, em grande parte, utilizados
como combustíveis na geração de calor para as usinas. A fim de obter um produto
de maior valor agregado, como o etanol de segunda geração, faz-se necessária a
viabilização de novas tecnologias para utilização desta biomassa (RAMOS, 2000).
O material lignocelulósico é composto principalmente por celulose, hemicelulose
e lignina. A celulose é uma estrutura cristalina, polissacarídea, resultante das ligações de hidrogênio entre as moléculas de glicose. As fibras celulósicas são recobertas por hemicelulose – um heteropolímero constituído por vários açúcares – e por lignina, formada por uma estrutura complexa (redes poliméricas tridimensionais formadas por unidades fenilpropano interligadas), o que confere resistência mecânica às plantas (SOARES, 2012). O processo de conversão do bagaço da cana de açúcar em etanol envolve quatro etapas, a saber: pré-tratamento, hidrólise, fermentação e destilação (ALVES, 2011). A rígida
estrutura lignocelulósica do bagaço dificulta o acesso das enzimas à celulose, reduzindo o rendimento da etapa de hidrólise.
O pré-tratamento ácido tem por objetivo romper esta estrutura por meio da
solubilização da hemicelulose no meio ácido, o que promoverá um aumento da
digestibilidade da celulose nas etapas posteriores (RABELO, 2010). Desta forma,
a finalidade deste trabalho consiste em avaliar as condições do pré-tratamento
do bagaço de cana de açúcar com H2SO4 e H3PO4, diluídos, visando uma maior
eficiência na remoção da hemicelulose.
MATERIAL E MÉTODOS: Foram utilizados 5g de bagaço lavado, seco e triturado, com granulometria variando de 42 a 65 mesh, os quais foram colocados em um evaporador rotativo Fisatom (modelo 802D), e adicionados 25mL de solução ácida em diferentes concentrações, a saber, H2SO4 e H3PO4 nas concentrações 0,75% (v/v), 1,45% (v/v) e 2,15% (v/v), respectivamente. O aumento da temperatura do banho no evaporador rotativo foi acompanhado até que se atingisse 120°C, a partir da qual se iniciou a contagem do tempo de pré-tratamento, definido em 45 minutos.
Após o pré-tratamento, a suspensão aquosa de bagaço foi retirada do aquecimento e mantida sob agitação constante, à 60rpm durante 30 minutos, à temperatura ambiente. A amostra foi lavada em água corrente até que o pH atingisse o intervalo entre 5 e 6.
Após o ajuste do pH, a fração insolúvel formada por celulose, lignina e hemicelulose residual foi submetida a ciclos de secagem em estufa Quimis, modelo Q-314M243, seguido de pesagens em balança Shimadzu, modelo AUX220. Foram necessários, em média, três ciclos de secagem a 100oC, com duração de 30 minutos cada, até que houvesse uma estabilização das massas.
O valor da massa estabilizada, obtido após os ciclos de secagem, foi comparado com a massa de bagaço in natura utilizado no pré-tratamento, a fim de quantificar a hemicelulose removida da estrutura fibrosa.
Para uma análise qualitativa da fração insolúvel foram obtidos os espectros na região do infravermelho com transformada de Fourier num espectrofotômetro IRPrestige-21, Shimadzu, com ângulo de varredura de 4000 a 400 cm-1 acumulando 45 leituras com 4 cm-1 de resolução. Nesta etapa foram utilizadas pastilhas de KBr em grau espectroscópico como background e pastilhas resultantes da mistura de KBr e bagaço pré-tratado como amostra.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: A estabilidade da fibra celulósica provém de interações de hidrogênio entre celulose e hemicelulose, bem como de ligações covalentes da hemicelulose com a lignina. No pré-tratamento ácido há uma desidratação da molécula de celulose, o que permite a solubilização da hemicelulose no ácido.
Segundo MAEDA, 2011 e CARVALHO, 2011, a porcentagem mássica do bagaço de cana de açúcar correspondente à hemicelulose é, em média, de 29,5%. Com base neste valor, e considerando que o pré-tratamento ácido solubiliza apenas hemicelulose, foi possível estimar a massa da mesma presente no bagaço in-natura e, juntamente com uma análise gravimétrica, estimou-se a massa de hemicelulose removida no procedimento. Os valores foram obtidos por meio da média de amostras feitas em triplicata realizadas para cada concentração de ácido, conforme representado na Tabela 1.
A eficiência dessa etapa foi calculada a partir da razão entre a quantidade de hemicelulose solubilizada e a quantidade teórica de hemicelulose. Os experimentos realizados com H2SO4 apresentaram melhores eficiências que os realizados com H3PO4.
A fim de analisar qualitativamente essa remoção de hemicelulose foram feitas análises no IR, nas quais foram observadas que o aumento da concentração, de ambas as soluções ácidas, favoreceu a remoção de hemicelulose, evidenciada pelo comprimento de onda de 1250cm-1 característico do grupo acetil, porém alterou a estrutura lignocelulósica como um todo, o que pode ser comprovado através da diminuição significativa da intensidade dos picos.
Considerando que um pré-tratamento eficiente é aquele que remove hemicelulose e conserva a estrutura celulósica, o H2SO4 0,75% (v/v) se mostrou mais eficiente, conforme mostra o espectro representado pelo Figura 1.
Tabela 1
Análise gravimétrica da perda de hemicelulose no pré-tratamento ácido.
Figura 1
(a) Espectro IR do pré-tratamento com H2SO4 0,75% (v/v) (BTS75) e bagaço in natura (BS_1); (b) Espectro IR com H2SO4 2,15% (v/v) (BTS215).
CONCLUSÕES: A partir dos resultados obtidos com os pré-tratamentos ácidos, pode-se inferir que o H2SO4 2,15% (v/v), embora tenha apresentado a mais alta eficiência quanto à
solubilização da hemicelulose, não se mostrou eficaz quanto à preservação da
estrutura celulósica. Em contrapartida, o H2SO4 0,75% (v/v), nas mesmas condições
de temperatura e tempo de processo, foi o mais eficiente na solubilização da
hemicelulose e preservação da estrutura. Quanto ao H3PO4, verificou-se que para
todas as concentrações este pré-tratamento apresentou as mais baixas taxas de
solubilização da hemicelulose.
AGRADECIMENTOS:
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: ALVES, Regina Estevan. Caracterização de fibras lignocelulósicas pré-tratadas por meio de técnicas espectroscópicas e microscópicas ópticas de alta resolução. 2011. 25 f. Dissertação (Mestrado) - Universidade de São Paulo, Lorena, 2011.
CARVALHO, Mirella Lucas de. Estudo cinético da hidrólise enzimática de celulose de bagaço de cana-de-açúcar. 2011. 103 f. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2011.
MAEDA, Roberto Nobuyuki et al. Enzymatic hydrolysis of pretreated sugar cane bagasse using Penicillium funiculosum and Trichoderma harzianum cellulases. Process Biochemistry, p. 1196-1201. 17 jan. 2011.
RABELO, Sarita Cândida. Avaliação e Otimização de pré-tratamento e hidrólise enzimática do bagaço de cana-de-açúcar para a Produção de Etanol de Segunda Geração. – Campinas,SP: [s.n.], 2010.
RAMOS, Luis Pereira. Aproveitamento Integral De Resíduos Agrícolas e Agroindústriais. Paraná. 02 f. Centro de Pesquisa em Química Aplicada, Departamento de Química, Universidade Federal do Paraná, 2000.
SOARES, L. C. S. R. Destoxificação biológica do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar para utilização em processos fermentativos. 2012. 112 f. Dissertação (Mestrado) – Universidade de São Paulo, Lorena, 2012.