Realizado no Rio de Janeiro/RJ, de 14 a 18 de Outubro de 2013.
ISBN: 978-85-85905-06-4
ÁREA: Química Verde
TÍTULO: Estudo dos Parâmetros Operacionais no Pré-Tratamento de Palha de Cana-de-Açúcar sobre a Remoção de Xilose
AUTORES: Mendes, K. (UFPE) ; Soares, I. (UFPE) ; Benachour, M. (UFPE)
RESUMO: Dentre os resíduos da cana-de-açúcar,foca-se na palha de cana-de-açúcar que
apresenta grande potencial para geração de calor, eletricidade, produção de
etanol celulósico e outros produtos. Neste trabalho foi realizado o pré-tratamento
da palha da cana-de-açúcar com ácido sulfúrico diluído variando-se os fatores:
temperatura, tempo de reação, carga de sólidos e concentração de ácido. Visou-se
obter a melhor condição para otimização da produção de xilose. Baixa carga de
sólidos (10% em massa), baixa concentração de ácido (0,5% em massa), tempo
intermediário (15 min) e temperatura baixa (105°C) foram identificadas como as
melhores condições para se operar o processamento. Cosntatou-se que tal condição
favoreceu uma maior quantidade de xilose presente no hidrolisado.
PALAVRAS CHAVES: Palha de cana-de-açúcar; Pré-tratamento; Xilose
INTRODUÇÃO: Problemas,como a preocupação ambiental e a escassez de petróleo tem levado a
sociedade a uma contínua busca por fontes alternativas de energia e que venham a
substituir o uso de combustíveis fósseis(CHUM e OVEREND,2001).Os resíduos
agroindustriais,provenientes da cana-de-açúcar,são ofertados com grande
disponibilidade e baixo custo(CGEE,2010)e ainda são pouco aproveitados gerando
passivo ambiental,constituindo assim intenso objeto de pesquisa(LAVARACK et
al.,2000).No Brasil a cana-de-açúcar é a cultura que mais produz resíduos,e que
de acordo com o primeiro levantamento da safra 2013/2014 é de 653 milhões de
toneladas(CONAB,2013).A utilização adequada desses resíduos minimiza tanto os
problemas ambientais quanto os energéticos,pois a maior parte desses resíduos é
constituída por açúcares e compostos fenólicos(CARA et al.,2007),que podem ser
convertidos e processados para obter produtos de alto valor agregado.A complexa
estrutura da parede celular da biomassa é,em geral,resistente à
bioconversão,dificultando o fornecimento dos carboidratos necessários para
obtenção de combustíveis e produtos químicos(SANNIGRAHI et al.,2010).É então
necessária a realização de uma etapa prévia denominada pré-tratamento,que tem
como objetivo alterar ou remover a lignina e a hemicelulose,aumentar a área
superficial e diminuir o grau de polimerização e cristalinidade da
celulose,gerando elevados rendimentos em açúcares(CANILHA et al.,2010).O
presente trabalho teve com objetivo a valorização da palha de cana-de-açúcar
através do estudo da etapa de pré-tratamento com ácido sulfúrico
diluído,avaliando-se os seguintes parâmetros operacionais:temperatura(105-
165°C),tempo de reação(5-25min),carga de sólidos(10-30%)e concentração de
ácido(0,5-2,5%),com vistas a obter um hidrolisado rico em xilose.
MATERIAL E MÉTODOS: A palha de cana-de-açúcar utilizada neste trabalho foi cedida pela usina
Petribu,localizada no município de Carpina-PE.Antes de ser utilizada,foram
realizados processos de lavagem e moagem,bem como a sua caracterização.Para a
etapa de pré-tratamento foram realizados 27 experimentos desenvolvidos em um
reator autoclave de marca REGMED,modelo AU/E-20 munida de válvula de escape e
manômetro,onde foi introduzida palha lavada(200g base seca)e a solução de
ácido(correspondente ao experimento, entre 0,5-2,5%). Após o carregamento,o
motor de rotação da autoclave foi ligado para iniciar a mistura por 1 minuto,e
em seguida o sistema de aquecimento para o alcance da temperatura desejada
(correspondente ao experimento, entre 105-165°C).Uma vez atingida,a autoclave
foi operada por um tempo(correspondente ao experimento, entre 5-25min).Passado
esse tempo o motor de rotação da autoclave e o sistema de aquecimento foram
desligados e o vapor formado no interior da autoclave liberado,através da
abertura da válvula.Após o término da reação,a fração líquida(hidrolisado
hemicelulósico)obtida foi recolhida num recipiente.O volume obtido foi medido e
foi armazenada uma alíquota dessa fração num freezer a 4ºC para posterior
análise do teor de xilose por Cromatografia Líquida de Alta
Eficiência(CLAE).Para a etapa de pré-tratamento foi realizado um planejamento do
tipo DCCR(delineamento central composto rotacional)para o estudo das seguintes
variáveis:carga de sólidos(m/v),concentração de ácido(m/m),tempo(min)e
temperatura(°C)avaliando como resposta a massa de xilose obtida.Foram realizados
no total 27 experimentos,propostos pelo planejamento DCCR.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: O planejamento consistiu de experimentos com os parâmetros nas seguintes faixas:
carga de sólidos de 10-30%, concentração de ácido de 0,5-2,5%, tempo de reação
de 5-25min e temperatura de 105-165°C. A xilose estudada foi obtida a partir da
hidrólise das xilanas presentes nas hemiceluloses da palha (LAVARACK et al.,
2000) pelo processo de pré-tratamento ácido diluído. A Figura(a) apresenta os
valores da massa de xilose obtida em cada experimento realizado. Tais valores
foram obtidos por CLAE. A partir destes resultados foram gerados no software
STATISTICA 8.0 superfícies de resposta em termos do planejamento, analisando-se
os quatro fatores estudados para fins de compreensão da tendência da remoção de
xilose (Figura(b)).Analisando tais superfícies ficou evidenciado que o uso de
baixas cargas de sólidos e baixas concentrações de ácido, independentemente da
temperatura e do tempo, já é suficiente para a formação de razoável quantidade
de xilose. Nesse caso, as xilanas facilmente hidrolisáveis já são atacadas.
Quando essa carga foi aumentada até em torno de 19-25%, mantendo fixa a
concentração de ácido, essa quantidade diminuiu. Possivelmente, isto se deveu ao
aumento da carga de sólidos que fez crescer as resistências aos efeitos
difusionais mássicos do ácido na biomassa. Após 25% de carga a quantidade de
xilose voltou a aumentar, pois nesse caso por ter ocorrido uma maior
disponibilidade de hemicelulose, obteve-se consequentemente mais xilanas, de
forma a novamente favorecer a formação de xilose. Foi visto que o aumento do
tempo e da temperatura ao mesmo tempo diminuiu a formação de xilose, pois nesse
instante, produtos de degradação foram se formando devido à disponibilização de
maior tempo de reação e utilização de temperaturas mais altas no sistema.
Figura (a)
Massa de xilose (em gramas) obtida para cada um dos
27 experimentos.
Figura (b)
Superfícies de resposta do efeito dos parâmetros
operacionais(dois a dois) sobre a quantidade de
xilose obtida após o pré- tratamento.
CONCLUSÕES: Para obter xilose, foi evidenciado que carga 10%, tempo 15 min, concentração 0,5%
e temperatura 105°C favoreceram sua produção. Foram vistas condições em que pouca
xilose era formada por não se ter ainda condições necessárias à hidrólise das
xilanas dificilmente hidrolisáveis. O efeito de resistência à difusão mássica do
ácido na biomassa com o aumento da carga, ocorreu até certo valor, tendo sido
reduzido quando a disponibilidade de hemicelulose ficou suficiente para sobrepor
tal dificuldade. O efeito tempo-temperatura desfavoreceu a produção de xilose
devido à degradação da mesma.
AGRADECIMENTOS: Agradeço à CAPES e ao CNPQ pelo auxílio financeiro e à usina Petribu (Carpina-PE)
por fornecer a matéria-prima utilizada nesse trabalho.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: CHUM, H.L.; OVEREND, R. P. Biomass and renewable fuels. Fuel Bioprocess Technology, 17, 187-195, 2001.
CGEE- CENTRO DE GESTÃO E ESTUDOS ESTRATÉGICOS. Química verde no Brasil: 2010-2030. Brasília- DF, 2010.
LAVARACK, B. P.; GRIFFIN, G. J.; RODMAN, D. Measured kinetics of the acid-catalysed hydrolysis of sugar cane bagasse to produce xylose. Catalysis Today, 63, 257-265, 2000.
CONAB. Acompanhamento de safra brasileira: cana-de-açúcar, primeiro levantamento, abril/2013. Brasília, 2013. Disponível em: http://www.conab.gov.br/OlalaCMS/uploads/arquivos/13_04_09_10_29_31_boletim_cana_portugues_abril_2013_1o_lev.pdf Acesso em: 01 jul. 2013.
CARA, C.; MOYA, M.; BALLESTEROS, I.;NEGRO, M. J.; GONZÁLEZ, A.; RUIZ, E. Influence of solid loading on enzymatic hydrolysis of steam exploded or liquid hot water pretreated olive tree biomass. Process Biochemistry, 42, 1003-1009, 2007.
SANNIGRAHI, P.; MILLER, S.; RAGAUSKAS, A. J. Effects of organosolv pretreatment and enzymatic hydrolysis on cellulose structure and crystallinity in Loblolly pine. Carbohydrate Research, 345, 965-970, 2010.
CANILHA, L.; MILAGRES, A. M. F.; SILVA, S. S.; SILVA, J. B. A.; FELIPE, M. G. A.; ROCHA, G. J. M.; FERRAZ, A.; CARVALHO, W. Sacarificação da biomassa lignocelulósica através de pré-hidrólise ácida seguida por hidrólise enzimática: uma estratégia de “desconstrução” da fibra vegetal. Revista Analytica, 44, 48-54, 2010.