ESTUDO DE PRÉ-TRATAMENTOS DE CASCA DE ARROZ E DE MACAXEIRA, COMO BIOMASSAS LIGNOCELULÓSICAS, VISANDO SUA BIOCONVERSÃO EM ETANOL

ISBN 978-85-85905-15-6

Área

Bioquímica e Biotecnologia

Autores

Rodrigues, P.F.F. (INSTITUTO FEDERAL DO MARANHÃO - IFMA) ; Campelo, C.M. (INSTITUTO FEDERAL DO MARANHÃO - IFMA) ; Fonseca, R.P. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO - UFMA) ; Silva, F.C. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO - UFMA) ; Cavalcante, K.S.B. (INSTITUTO FEDERAL DO MARANHÃO - IFMA)

Resumo

A biomassa lignocelulósica é constituída majoritariamente por celulose, hemicelulose e lignina. As cascas de arroz e macaxeira são consideradas excelentes fontes de fibras dietéticas, apresentando altos níveis de celulose e hemicelulose. O presente estudo avaliou o efeito de diferentes pré-tratamentos químicos, empregando ácido diluído e líquido iônico em cascas de arroz e de macaxeira, capazes de facilitar a exposição da celulose à bioconversão em etanol. Os pré-tratamentos com ácido sulfúrico 0,44% em reator de alta pressão e com líquido iônico [Morf]+[HCOO]- se mostraram mais eficientes na produção de açúcares fermentáveis. Mudanças estruturais na superfície das fibras lignocelulósicas foram verificadas através de análise de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV).

Palavras chaves

biomassa lignocelulosica; pré-tratamento; bioconversão

Introdução

A biomassa lignocelulósica é constituída majoritariamente por celulose, hemicelulose e lignina, representando 40%, 30% e 20%, respectivamente, do total de biomassa seca (ALVES, 2011). As cascas de arroz e macaxeira são consideradas excelentes fontes de fibras dietéticas, apresentando altos níveis de celulose (em média, 43,5% e 94%, respectivamente) (CENI, 2009) e hemicelulose (22,0%, para as cascas de arroz) (FRADE, 2008). Ambas são resíduos de alimentos que possuem uma vasta produção no Brasil e o seu acúmulo pode gerar impactos ambientais (LUZZIETTI, 2013). Pesquisas tem sido realizadas de modo a aproveitar esses resíduos como matéria prima para a conversão em açúcares passíveis de fermentação, e posterior produção de bioetanol (FRADE, 2008). Para a produção de açúcares fermentáveis, os carboidratos (celulose e hemiceluloses) presentes no material devem sofrer hidrólise, por via ácida ou enzimática. Porém, a forte interação da celulose com os demais componentes poliméricos da lignocelulose provoca uma alta resistência às hidrólises (SILVA, 2012). Deste modo, faz-se necessário uma etapa de desorganização estrutural da parede celular das amostras por meio de pré-tratamentos (ALVES, 2011). O pré-tratamento químico aplica ácidos e bases para remover lignina e hemicelulose da biomassa, resultando numa maior acessibilidade da celulose para a etapa de sacarificação enzimática. No processo ácido, podem ser empregados ácidos concentrados ou diluídos em temperaturas maiores ou menores que 160°C (ALVES, 2011). Neste sentido, o presente estudo avaliou o efeito de diferentes pré-tratamentos químicos empregando ácido diluído e líquido iônico, em materiais lignocelulósicos, como as cascas de arroz e de macaxeira, capazes de facilitar a exposição da celulose à bioconversão em etanol.

Material e métodos

Os pré-tratamentos químicos da fibra vegetal das cascas de arroz e macaxeira foram realizados empregando soluções de ácido sulfúrico e líquido iônico [Morf]+[HCOO]- em diversos sistemas de aquecimento. O pré-tratamento com H2SO4 7% consistiu em levar 1 g da amostra e solução de H2SO4 7%, em uma proporção de 1:40 m/m, ao autoclave a 120 °C por 45 minutos. No pré-tratamento com H2SO4 1%, 2 g da amostra e 100 mL de H2SO4 1% foram transferidos para um balão de fundo redondo acoplado a um sistema de refluxo. O aparato foi aquecido em manta térmica por 1 hora e meia, a 100°C. Enquanto no pré-tratamento com H2SO4 0,44%, 1 g da amostra e 50 mL de H2SO4 0,44% foram levados ao reator de alta pressão, por 8 minutos, a 195°C. O líquido iônico [Morf]+[HCOO]- foi sintetizado de acordo com Brigouleix et al. (2010) e caracterizado em um espectrofotômetro de IV da SHIMADZU, modelo IRPrestige-21, empregando o método de transmitância com preparação em pastilhas de KBr, com 45 scans, resolução de 8 cm-1 e faixa de análise na região compreendida entre 4000 e 400 cm-1. No pré-tratamento com [Morf]+[HCOO]-, 0,5 g de amostra foi adicionada a 10 mL de [Morf]+[HCOO]- e mantido sob agitação constante em banho de óleo a 150 °C, por 30 minutos. As cascas in natura e pré-tratadas foram submetidas a análise de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) para verificar mudanças estruturais na superfície, textura e espessura das fibras lignocelulósicas causadas pela ação química durante os pré-tratamentos. Por fim, os filtrados foram submetidos ao método colorimétrico do ácido 3,5-dinitrossalicílico, DNS (MILLER, 1959), empregando um espectrofotômetro UV-VIS Lambda XLS, no comprimento de onda de 540 nm, para identificar a presença de açúcares redutores, AR (SILVA, 2012).

Resultado e discussão

Os resultados dos pré-tratamentos químicos das biomassas demonstraram que o procedimento foi capaz de reduzir a recalcitrância da celulose (SANTOS, 2012) e deixar a celulose residual mais susceptível para as etapas posteriores de hidrólise (ZHENG, 2013), apresentando maior conversão quando aplicado o reator de alta pressão, obtendo concentrações de glicose de 4,15x10-4 mol.L-1 e 3,37x10-4 mol.L-1 das cascas de arroz e macaxeira, respectivamente. Além disso, o pré-tratamento de casca de arroz com [Morf]+ [HCOO]- também mostrou-se eficiente, com 3,01x10-4 mol.L-1 de glicose. Os resultados da caracterização microestrutural obtida por MEV foram capazes de fornecer informações morfológicas e topográficas das superfícies (ALVES, 2011). As micrografias das superfícies das amostras in natura (Figuras 1a, 1b) apresentam as células do parênquima distribuídas ao longo de toda a fibra vegetal (MARTIN, 2009). As superfícies das biomassas que sofreram pré- tratamento químico com líquido iônico (Figura 1c, 1d) são lisas e homogêneas, porém bastante irregulares e cobertas por reentrâncias, saliências e orifícios. Enquanto, o pré-tratamento com ácido diluído em reator provocou uma maior fragmentação dos tecidos vegetais e a presença de orifícios nas superfícies é mais evidente (Figura 1e, 1f). Na Figura 2, encontram-se os espectros na região do infravermelho da morfolina, ácido fórmico e do líquido iônico [Morf]+[HCOO]-. Observou-se em 1730 cm-1 modo vibracional referente à carbonila C=O oriunda do formiato, em 3480 cm-1 modo vibracional alusivo ao estiramento N-H (SILVA, 2013), em 1069 e 2928 cm-1 para a deformação axial de C-N da morfolina, em 2900-3000 cm-1 para o estiramento axial do grupo metileno e em 3500 cm-1 um deslocamento referente à deformação axial da OH- do ácido residual.

Micrografias das cascas de arroz e macaxeira in natura, após pré-tratamento com líquido iônico e com H2SO4 0,44%: a, b, c, d, e, f , respectivamente.


Espectros sobrepostos da morfolina, ácido fórmico e do líquido iônico [Morf]+[HCOO]-, na região do infravermelho.

Conclusões

A partir das análises realizadas pôde-se considerar que, dentre os pré- tratamentos empregados, o mais eficiente para ambas as amostras foi o pré- tratamento com ácido sulfúrico 0,44% em reator de alta pressão. Este processo foi capaz de desarranjar estruturalmente a forte interação entre as fibras lignocelulósicas das amostras estudadas, como observado através das imagens de microscopia eletrônica. Desse modo, o referido pré-tratamento é eficaz para reduzir a recalcitrância da celulose das cascas de arroz e macaxeira e, consequentemente, facilitar a sua bioconversão em etanol.

Agradecimentos

Referências

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